Theory on the mechanism of rapid binding of transcription factor proteins at specific-sites on DNA
我们开发了修改后的理论思想的机制，转录因子蛋白质定位其特异性结合位点的DNA速度比三维（3D）扩散控制的速率限制。我们证明，3D扩散控制的速率限制可以增强时，蛋白质分子读取几个可能的结合延伸的模板DNA通过一维（1D）扩散后，每个3D扩散介导的碰撞或非特异性结合事件。位点特异性结合速率的总体增强与蛋白质分子沿DNA的1D扩散相关的最大可能滑动长度（LA，（6Do/kr）的平方根，其中Do是1D扩散系数，kr是与非特异性DNA-蛋白质复合物相关的解离速率常数）成正比。在考虑了几种可能的机制后，我们发现DNA结合蛋白可以通过以循环方式切换其DNA结合结构域的快速移动、缓慢移动和读取状态来有效地定位其在DNA上的同源位点。无论机制的类型的整体速率增强因子渐近接近一个极限值，这是直接成比例的LA作为总长度的DNA，包含同源位点的增加。这些结果与体外实验观察结果一致。
2014-09-19 physics.bio-ph q-bio.BM
Binding Parameters of Alkaloids Berberine and Sanguinarine with DNA
本文采用吸收光谱法和荧光光谱法研究了水溶液中小檗碱和血根碱与DNA的相互作用。生物碱的光谱特性的依赖关系的浓度比N/C之间的DNA碱基对和生物碱分子的解决方案被认为是，和表现的生物碱-DNA结合被揭示。结合的特征被发现依赖于N/c。用修正的Scatchard方程和McGhee-vonHippel方程确定了小檗碱和血根碱与DNA的结合参数
2012-01-11 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Unraveling the Allosteric Mechanism and Mechanical Stability of Partial and Complete Loss-of-Function Mutations in p53 DNA-Binding Domain
School of Physics and Astronomy, Beijing Normal University（北京师范大学物理与天文学院）；Faculty of Arts and Sciences, Beijing Normal University at Zhuhai（北京师范大学珠海校区文理学院）
本研究通过构建p53二聚体-DNA复合物，揭示了非热点突变和热点突变在p53DNA结合域的别构机制及机械稳定性差异，发现E180R突变对二聚体稳定性影响最大。
2026-01-16 physics.bio-ph
Statistical-mechanical lattice models for protein-DNA binding in chromatin
蛋白质-DNA结合的统计力学晶格模型被很好地建立，作为描述用纯化的DNA和蛋白质组分在体外测量的复杂配体结合平衡的方法。最近，一个新的应用领域已经开辟了这种方法，因为它已经成为可能的实验量化基因组范围内的蛋白质占位的DNA序列。特别是，真核基因组由组蛋白组成称为染色质的核蛋白复合物已被认为是控制转录因子进入DNA序列的关键参数。必须开发新的方法来获得统计力学晶格描述染色质相关的蛋白质-DNA相互作用。在这里，我们提出了在染色质中组蛋白-DNA相互作用的晶格模型的理论框架，并研究了其他染色体蛋白和转录因子的（竞争性）DNA结合。这些结果对于基因表达调控的定量模型有许多应用。
2010-04-30 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
High-Fidelity DNA Sensing by Protein Binding Fluctuations
RecA蛋白在细胞中的主要功能之一是结合损伤后暴露的单链DNA，从而触发SOS修复response.We目前的荧光各向异性测量在结合onset，显示增强的DNA长度歧视诱导的三磷酸腺苷消耗。我们的模型解释了所观察到的DNA长度传感作为一个结果的平衡结合波动，让人想起微管动态不稳定性。结合波动的级联结构是动力学校正机制的概括。在嘈杂的生物环境中，通过不可逆的多级途径来提高精度是一种可能的设计原则。
2010-08-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Biophysical characterization of DNA origami nanostructures reveals inaccessibility to intercalation binding sites
药物分子嵌入通过自组装折纸形成的合成DNA纳米结构中已被假定为用于靶向药物递送的有价值的未来方法。这是由于合成DNA纳米结构的优异的生物相容性，以及灵活的可编程性的高潜力，包括容易的药物释放到靶细胞中或附近。这种有利的性质可以使得每个纳米结构载体能够高初始负载和有效释放可预测数量的药物分子，这对于安全和有效的药物剂量的有效递送以最小化远离靶细胞的非特异性释放是重要的。然而，基本的问题仍然是如何嵌入介导的加载取决于DNA载体结构。在这里，我们使用染料YOYO-1和吖啶橙与紧密堆积的2D DNA折纸瓦的相互作用作为一个简单的模型系统来研究嵌入介导的负载。我们采用了多种生物物理技术，包括单分子荧光显微镜，原子力显微镜，凝胶电泳和可控损伤，使用低温等离子体对合成DNA折纸样品。我们的研究结果表明，并非所有潜在的DNA结合位点都可用于染料嵌入，这对未来设计用于靶向药物递送的DNA纳米结构具有影响。
2019-11-16 physics.bio-ph
Phase behaviour of DNA in presence of DNA-binding proteins
为了表征DNA链与非特异性结合蛋白质溶液相互作用的热力学平衡，实施Flory-Huggins自由能模型。我们探讨了DNA塌陷对DNA和蛋白质浓度的依赖性。对于DNA-蛋白质亲和性的生理相关值，这种崩溃产生了一个双相的制度，一个密集和稀相，相应的相图计算。使用基于哈密顿路径的方法，我们表明，致密相具有熔融球或结晶结构，这取决于DNA的弯曲刚度，这是由离子强度的影响。这些结果是有效的，在化学平衡，因此应该是符合许多生物过程，其特征的时间尺度范围通常从1毫秒到10秒。因此，我们的模型可以应用于涉及DNA结合蛋白的生物学现象，例如DNA与结晶顺序的缩合，这发生在一些细菌中，以保护它们的染色体免受有害因素的影响;或转录起始，这发生在称为转录工厂的簇中，这让人想起本研究中表征的致密相。
2015-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Physical limits on cooperative protein-DNA binding and the kinetics of combinatorial transcription regulation
在基因调控中观察到的许多复杂性起源于协同的蛋白质-DNA结合。虽然对蛋白质在DNA上的特异性结合位点的靶向搜索的研究已经揭示了蛋白质-DNA相互作用的定量特征的设计原理，但是对于DNA-结合蛋白质之间的协同相互作用还没有这样的原理。我们考虑一个简单的理论模型，两个相互作用的转录因子（TF）的物种，搜索和结合到两个相邻的靶位点隐藏在基因组背景。我们研究了二聚体搜索途径和单体搜索途径的动力学竞争，以及在广泛的TF-TF相互作用强度范围内由两个TF介导的稳态调节功能。使用转录AND逻辑作为示例性的功能背景下，我们确定的相互作用的功能理想的制度。我们发现，弱和非常强的TF-TF相互作用是有利的，虽然有不同的特点。然而，也有一个不利的制度，中间的相互作用，遗传反应是非常缓慢的。
2011-09-15 physics.bio-ph q-bio.BM
Stepwise bending of DNA by a single TATA-box Binding Protein
TATA盒结合蛋白（TBP）是所有三种真核RNA聚合酶所必需的，用于启动大多数启动子的转录。TBP识别、结合并弯曲DNA中称为"TATA盒“的启动子序列。我们目前的研究结果，个别酿酒酵母TBPs与含有TATA盒的单个DNA分子相互作用。使用视频显微镜，我们观察到的布朗运动的珠子栓由短的表面结合的DNA。当TBP结合并弯曲DNA时，DNA的构象发生变化，与未弯曲的DNA相比，拴系珠的布朗运动的幅度降低。我们检测到个人的结合和解离事件，并推导出动力学参数的过程。通过增加盐浓度或通过使用光镊直接拉动拴系的珠来诱导解离。除了明确定义的自由和束缚类的布朗运动，我们观察到另外两类运动。这些额外的类被确定为具有三步线性结合途径上的中间状态。讨论了中间态的生物学意义。
2006-03-07 physics.bio-ph q-bio.BM
Discrete Persistent Chain Model for Protein Binding on DNA
我们描述并解决了一个离散的持久链模型的蛋白质结合的DNA，涉及一个额外的sigma_i s在一个网站i的DNA。该变量的值为1或0，这取决于该位点是否被蛋白质占据。此外，如果该位点被蛋白质占据，则会产生额外的能量消耗。对于较小的力，我们得到了力-延伸曲线和DNA上结合蛋白质的分数的解析表达式;对于较大的力，我们可以数值求解模型，得到力-延伸曲线和DNA上结合蛋白质的平均分数随力的变化.该模型可用于分析蛋白质与DNA结合的实验力延伸曲线，从而推断非特异性结合情况下结合蛋白质的数目。
2011-04-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
A model of H-NS mediated compaction of bacterial DNA
组蛋白样类核结构蛋白（Histone-like Nucleoid Structuring protein，H-NS）是一种核相关蛋白，参与基因调控和DNA压缩。H-NS可以以两种不同的方式与DNA结合：反式，通过与两个单独的DNA双链体结合，或顺式，通过与同一双链体上的不同位点结合。基于扫描力显微镜成像和光学陷阱驱动的解压缩分析，最近有人建议，DNA压缩可能是由于H-NS结合到DNA的反式和顺式构型的拮抗作用。为了更深入地了解压缩机制，我们构建了一个粗粒度的模型描述的细菌DNA的压缩H-NS。这些模拟突出了这样一个事实，即DNA压缩确实是由几个竞争因素之间的微妙平衡引起的，这些因素包括质粒的变形动力学和蛋白质二聚体与DNA的几种结合模式，即悬挂构型、顺式和反式结合。特别是，压实度是非常敏感的顺式和反式构型的结合能的差异。我们的模拟还指出，DNA-蛋白质复合物的构象是显着不同的散装和在平面条件下，这表明云母表面上观察到的构象可能显着不同，从那些流行的活细胞。
2013-04-03 physics.bio-ph q-bio.BM
The Role of Chain Entropy in an Analytic Model of Protein Binding in Single-DNA Stretching Experiments
我们表明，张和Marko（物理评论E 77，031916（2008））提出的简单的分析模型来说明单DNA实验的麦克斯韦关系，可以通过包括高斯链的零力熵来改进。所得模型与离散持久链模型吻合良好，且形式便于分析实验数据。
2011-09-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Calculating the contribution of different binding modes to Quinacrine - DNA complex formation from polarized fluorescence data
用吸收光谱和偏振荧光光谱法研究了吖啶衍生物奎纳克林（QA）与鸡红细胞DNA的结合作用。在具有不同染料浓度（QA浓度范围从$10^{-6}$至$10^{-4}$ M）和离子强度（$Na^{+}$浓度范围从$10^{-3}$至0.15 M）的水性缓冲溶液（pH 6.9）中以宽范围的磷酸盐与染料摩尔比（$P/D$）进行测量。确定了绘制为相对荧光强度$vs$ $P/D$的荧光滴定曲线的最小值是由两种类型的QA与DNA结合之间的竞争决定的，这两种类型的QA由不同的发射参数决定：（i）在高$P/D$值下插入键占主导，和（ii）在低$P/D$值下外部静电键占主导，这伴随着在DNA主链上形成非荧光染料缔合物。测定了配合物的吸收和荧光特性。提出了根据$P/D$值计算不同结合模式对复合物形成贡献的方法。结果表明，在静电相互作用的情况下，每一个QA分子结合的DNA碱基对的数量测量的结合位点的大小是8倍小于嵌入的，这决定了对较强的嵌入结合模式的外部结合的竞争能力。
2015-02-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Structural and dynamic properties of linker histone H1 binding to DNA
在所有真核细胞中发现，已知连接体组蛋白H1结合并重排核小体连接体DNA。在体外，H1/DNA相互作用的基本性质引起了研究界的广泛兴趣-生物学家从染色质组织破译的角度来看，物理学家从染色质相互作用的角度来看。因此，H1/DNA结合过程，这些自组装的结构和动力学信息是广泛的重要性。针对H1诱导的DNA压缩机制的定量理解，我们的策略是基于使用小角度X射线微衍射与微流体相结合。微流体流体动力聚焦装置的使用促进了这些自组装过程的微尺度控制。此外，该方法能够实现对结构形成的时间分辨访问，特别是对瞬态中间状态。所观察到的随时间变化的结构演化表明，H1与DNA的相互作用可以被描述为两个步骤的过程：H1与DNA的初始非特异性结合，随后是所形成的组件内的分子重排。第二步很可能是由蛋白质和DNA的带电侧链之间的相互作用引起的。这导致DNA/蛋白质组装体内的晶格间距增加，并引起中间相的相关长度减小，这可能是由于DNA的局部弯曲。
2010-08-11 physics.bio-ph q-bio.BM
Role of DNA binding sites and slow unbinding kinetics in titration-based oscillators
基因振荡器，如生物钟，不断受到分子噪音的干扰，这些分子噪音来自于参与基因调控的少量分子。随机性的最强来源之一是由染色体DNA中的调节蛋白与启动子的结合引起的二元噪声。在这项研究中，我们专注于两个最小的振荡器的基础上激活剂滴定和抑制剂滴定，了解的关键参数是重要的振荡和克服二进制噪声。我们表明，从DNA的解绑率，尽管传统上被认为是一个快速的参数，需要缓慢的振荡解的空间扩大。多个独立DNA结合位点的添加进一步扩展了阻遏物-滴定振荡器的振荡参数空间，并延长了两个振荡器的周期。这种效应是由于多个结合位点引起的解结合动力学的有效延迟增加和对阻遏特异性的启动子超敏感性增加的组合。然后，我们使用随机模拟表明，多个结合位点通过减轻二进制噪声增加振荡的相干性。由于离分叉点的距离增加，DNA解结合速率的低值也有效地减轻了分子噪声。我们的工作演示了如何DNA结合位点和缓慢的解结合动力学，这往往是在基因电路的生物物理模型省略，可以有显着的影响遗传振荡器的时间和随机动力学。
2016-01-04 physics.bio-ph q-bio.MN
Mobility of bacterial protein Hfq on dsDNA; Role of C-terminus mediated transient binding
蛋白质的流动性是生命机制的基础。在这里，我们已经调查了DNA结合的影响，结合DNA的内部运动的细菌Hfq主调节缺乏其淀粉样蛋白C-末端结构域。Hfq是一种最丰富的类核相关蛋白，它能塑造细菌染色体，并参与核酸代谢的几个方面。荧光显微镜已被用于跟踪双链DNA上缺乏Hfq突变形式的C-末端结构域，其通过限制到矩形纳米流体通道而被拉伸。相对于野生型变体，突变体的移动性被强烈地加速。此外，它显示出对DNA内部运动的反向依赖性，因为较慢的运动导致较慢的蛋白质扩散。结果表明，在控制类核相关蛋白的流动性的DNA内部运动的微妙作用，特别是，瞬时结合和移动DNA链的方式的重要性。
2021-12-06 physics.bio-ph
Some Effective Tight-Binding Models for Electrons in DNA Conduction: A Review
DNA导电的量子输运作为制备纳米线的候选材料以及科学机制的兴趣得到了广泛的研究。本文综述了DNA聚合物的电子态和导电/转移的研究进展。我们主要研究了作为双链DNA电子性质的简单模型的两链和三链体系（梯形模型）的能带结构和局域化性质的相关效应。此外，我们还研究了几种实际DNA序列，如大肠杆菌噬菌体，人类22号染色体，与人工相关无序序列的电子态局域化性质进行了比较。聚（dA）-聚（dT）和聚（dG）-聚（dC）DNA聚合物的电荷转移性质也提出了在极化子模型的框架内，由于载流子和双链DNA的晶格振动之间的耦合的本地化长度。
2010-05-07 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph
Elasticity as the basis of allostery in DNA
DNA中的变构相互作用对各种生物过程至关重要。通过测量自由能的变化作为两个配体的结合位点之间的距离的函数来量化这些相互作用。在这里，我们表明，结合到DNA的配体的相互作用能的趋势可以解释内的弹性双杆模型。双杆模型解释了每条链的变形以及由于配体结合引起的碱基位置和方向的扰动而引起的堆叠能的变化。由配体产生的应变场随着与结合位点的距离而衰减。两个配体的相互作用能随它们之间的距离呈指数衰减，并随双螺旋的周期性振荡，与实验测量定量一致。在计算的相互作用能的趋势是相似的，在由一个单一的配体的结合，这是一致的分子模拟产生的沟槽宽度的扰动。我们的分析提供了一个新的框架来理解DNA中的变构相互作用，并可以扩展到其他棒状大分子，其弹性在生物功能中发挥作用。
2018-05-14 physics.bio-ph
DNA-Protein Cooperative Binding through Long-Range Elastic Coupling
协同性在蛋白质与DNA结合的作用中起着重要作用。一个简单的，机械的协同机制，在张力介导的蛋白质之间的相互作用的形式结合到DNA在两个不同的位置提出。这些蛋白质没有直接的物理接触。插入结合蛋白质的DNA片段被建模为蠕虫状链，其在二维中自由变形。张力控制的蛋白质-蛋白质相互作用是由蛋白质结合产生的两种效应的结果。第一个是在宿主DNA中引入弯曲，第二个是在紧邻结合蛋白的DNA的弯曲模量的修改。两个结合的蛋白质之间的相互作用可以是吸引的或排斥的，这取决于它们在DNA上的相对取向。在这个模型中，施加的张力控制蛋白质-蛋白质相互作用的强度和范围。的合作相互作用的属性进行了讨论，以及实验的影响。
1998-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Binding of native DNA to MoS$_{2}$ nanoflakes: the role of defects and edge atoms of MoS$_{2}$ nanostructures in their biofunctionalization
本研究综合多种光谱、显微与DFT计算方法，揭示了天然DNA主要通过磷酸基团氧原子与MoS$_{2}$纳米片边缘Mo原子及S空位缺陷形成强配位键而结合，阐明了缺陷和边缘原子在MoS$_{2}$生物功能化中的关键作用。
2025-04-29 physics.bio-ph
Optimality in superselective surface binding by multivalent DNA nanostars
本研究利用DNA纳米星多价实验模型系统，探讨了少配体系统的超选择性表面结合行为，发现其在三价时结合最优，并通过扩展理论定量解释了该最优性的微观机制，为导向药物递送提供了新设计规则。
2023-06-29 physics.bio-ph
Facilitated diffusion of DNA-binding proteins: Simulation of large systems
最近引入的方法过量碰撞（MEC）的修改，以估计扩散控制的反应时间内的系统的任意大小。由此产生的MEC-E方程包含一组经验参数，这些参数必须在中等大小的测试系统内的数值模拟中进行校准。一旦这样做了，任意尺寸的系统的反应时间通过外推法得到，精确度为10%至15%。当与反应过程的显式模拟相比时，所实现的加速与电池的外推体积成比例地增加。
2006-02-16 physics.bio-ph
A molecule that detects the length of DNA by using chain fluctuations
在体外实验中，一类核小体重塑马达在ATP存在下将它们所附着的核小体向DNA链的中间移位。这种生物活性可能是基于检测和比较侧翼聚合物链长度的物理机制。在这里，我们提出了一个旋转模式的DNA波动附近的核小体表面的结合反应与DNA结合位点的电机提供了一个物理基础的长度检测。由于较短链的平均波动频率高于较长链，这是由于其较低的阻力系数，因此较短链具有较高的受体结合率，这触发了重塑马达的ATP依赖性活性。这些单元的二聚化允许马达比较侧翼DNA链的长度，使核小体向DNA中心移位。
2015-10-27 physics.bio-ph
Conditions for positioning of nucleosomes on DNA
核小体沿真核生物基因组的定位在其组织和调控中起着重要作用。有许多不同的因素影响核小体的位置。一些可以被看作是一个单一的核小体沿DNA的不同位置的优先结合，一些相邻的核小体之间的相互作用。在这项研究中，我们分析了如何以及核小体沿DNA定位作为优先结合的强度，结合能景观的相关长度，相邻核小体之间的相互作用和其他相关系统属性的函数。我们分析不同的情况下：设计的能源景观和一般无序的，并获得良好的定位条件。使用分析和数值方法，我们发现，即使结合的偏好是非常弱的，相互作用和结合的偏好之间的协同作用是至关重要的一个很好的定位的核小体，特别是在相关的能源景观。通过对经验能量图的分析，我们讨论了我们的理论结果与核小体在DNA \emph{in vivo.}上定位的相关性
2015-04-29 physics.bio-ph q-bio.SC
Binding of molecules to DNA and other semiflexible polymers
本文提出了一种小分子如表面活性剂与半柔性聚合物结合的理论。假设持久长度比单体尺寸大，但比总链长小得多。这种聚合物（例如DNA）代表了柔性聚合物和刚性棒状聚合物之间的中间情况，其与小分子的关联先前已被研究过。这些链不够灵活，不能积极参与自组装，但它们的波动会诱导结合分子之间的长程吸引力相互作用。在结合显著影响局部链刚度的情况下，这些相互作用导致非常尖锐的合作缔合。这种情况与DNA与表面活性剂和紧凑蛋白如RecA的关联有关。施加在链上的外部张力被发现显着修改通过抑制波动引起的相互作用的结合。
2000-06-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Discovery and information-theoretic characterization of transcription factor binding sites that act cooperatively
转录因子与DNA调控区表面的结合是调控基因表达水平的主要原因之一。在序列水平上对蛋白质-DNA相互作用进行建模的概率方法是通过位置权重矩阵（PWMs），其通过假设DNA序列内的位置独立性来估计DNA结合位点序列的联合概率。在这里，我们构建条件PWMs依赖于侧翼DNA序列中的基序签名，通过调节已知的结合位点基因座上的存在或不存在的额外的结合位点，在侧翼序列中的每个站点的基因座。汇集具有相似侧翼序列模式的已知位点允许估计结合位点序列上的条件分布函数。我们将我们的模型应用于在果蝇发育的背侧-背侧轴图案中活跃的背侧转录因子结合位点。我们发现，这些结合位点与附近的扭曲网站平均包含约0.5位的信息扭曲转录因子结合位点的侧翼序列中的存在。我们还发现，Dorsal结合位点检测器的条件下，侧翼序列信息作出更好的预测什么是一个Dorsal网站相对于背景DNA比检测没有信息的侧翼序列功能。
2015-06-05 physics.bio-ph q-bio.PE q-bio.QM
Thermodynamics of site-specific small molecular ion interactions with DNA duplex: a molecular dynamics study
双链DNA（dsDNA）的稳定性和动力学受到小分子单价离子的优先占据的影响。小的金属离子和分子离子如钠和烷基铵在人体内具有重要的生物学功能，影响双链DNA的热力学稳定性并表现出优先结合。本文采用原子分子动力学模拟研究了金属离子（如Na+）和分子离子（如四甲基铵（TMA+）和2-羟基-N，N，N-三甲基乙铵（CHO+））与双链DNA的优先结合。特定分子离子- DNA相互作用的热力学驱动力是通过将结合自由能分解为熵和熵贡献来确定的。我们的模拟表明，这些分子离子中的每一个优先结合到DNA的小沟和结合的程度是最高的CHO+。离子结合过程被发现是熵有利的。此外，还研究了疏水效应对熵稳定化的贡献（在TMA+的情况下）和氢键作用对熵稳定化的贡献（在CHO+的情况下）。
2015-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Simulation and analysis of in vitro DNA evolution
我们从理论上研究了DNA序列通过与转录因子结合而在体外的进化。使用一个简单的模型的蛋白质-DNA结合和可用的Mnt蛋白质的结合常数，我们进行大规模的，现实的模拟从一个单一的DNA序列的进化。我们确定不同的参数制度，其特征在于不同的进化行为。对于每一个政权，我们发现分析估计，以及与模拟结果一致。对于较小的种群规模，DNA进化路径是在光滑景观上的随机行走。而对于大的种群规模，演化动力学可以用平均场论很好地描述。我们还研究了DNA-蛋白质相互作用的细节如何影响进化。
2003-01-21 cond-mat physics.bio-ph q-bio.PE
Extracting physical chemistry from mechanics: a new approach to investigate DNA interactions with drugs and proteins in single molecule experiments
在这篇综述中，我们专注于建立DNA配体复合物的机械性能和DNA-配体相互作用的物理化学之间的联系的想法。这种类型的连接是有趣的，因为它打开了通过仅使用一种实验技术：单分子拉伸来执行这种相互作用的鲁棒表征的可能性。此外，它还开辟了新的可能性，在比较结果获得非常不同的方法，特别是当比较单分子技术的整体平均技术。我们开始手稿回顾DNA力学的重要概念，从基本的力学性质到蠕虫状链模型。接下来，我们将回顾DNA-配体相互作用的物理化学的基本概念，重新访问用于分析结合数据的最重要的模型，并讨论它们的结合等温线。然后，我们讨论了最常用的拉伸DNA-配体复合物的单分子技术的基本特征，并获得力x延伸数据，从中可以确定复合物的机械性能。我们还讨论了DNA和配体之间可能发生的主要类型的相互作用的特点，从共价结合到简单的静电驱动的相互作用。最后，我们提出了一个历史性的调查，试图连接力学的物理化学的DNA-配体系统，强调最近开发的拟合方法有用的DNA-配体复合物的持久性长度的相互作用的物理化学性质。这种方法原则上可以用于任何类型的配体，从药物到蛋白质，即使存在多种结合模式。
2015-04-17 physics.bio-ph
Single molecule narrowfield microscopy of protein-DNA binding dynamics in glucose signal transduction of live yeast cells
单分子窄视野显微镜是一种多功能的工具，可以研究活细胞中各种蛋白质的动力学，并已广泛用于细菌。在这里，我们描述了这些方法如何可以扩展到更大的真核，酵母细胞，其中包含亚细胞区室。我们描述了如何获得单分子显微镜数据，但也如何分析这些数据，以跟踪和获得扩散在细胞中的分子复合物的化学计量。我们选择葡萄糖介导的活酵母细胞的信号转导作为系统来证明这些单分子技术，因为转录调控基本上是单分子问题-结合基因组中单个结合位点的单个阻遏蛋白可以显著改变整个细胞和群体水平的行为。
2016-05-25 physics.bio-ph q-bio.SC
Ephemeral protein binding to DNA shapes stable nuclear bodies and chromatin domains
荧光显微镜显示，许多（无膜）核“体”的内容交换迅速与可溶性池，而底层结构持续存在，这样的观察等待一个令人满意的生物物理解释。为了阐明这一点，我们进行了大规模的布朗动力学模拟的染色质纤维与（多价）DNA结合蛋白质的合奏相互作用;这些蛋白质在两种状态之间切换-活性（结合）和非活性（非结合）。该系统为任何DNA结合蛋白提供了模型，所述DNA结合蛋白可以在免疫后被修饰以改变其对DNA的亲和力（例如，如转录因子的磷酸化）。由于这种失衡过程，蛋白质自发地组装成自限大小的簇，因为簇中的单个蛋白质与可溶性池交换，其动力学类似于光漂白实验中所见。这种行为与仅存在于结合状态的“平衡”或非转换蛋白质所表现出的行为形成鲜明对比;当这些蛋白质非特异性地与DNA结合时，它们形成大小无限增长的簇。我们的研究结果指出，染色质桥接蛋白的翻译后修饰作为一种通用机制，驱动高度动态的，非平衡的，具有核体性质的蛋白质簇的自组装。这种主动修饰也重塑了染色质内的接触，使网络类似于拓扑关联结构域中所见的网络，因为切换明显有利于局部（短程）接触而不是远距离接触。
2016-07-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Theory on the mechanisms of combinatorial binding of transcription factors with DNA
我们建立了一个关于转录因子（TF）与DNA上特异性结合位点组合结合机制的理论框架。我们认为三种可能的机制，即单体，异源寡聚体和协调招聘途径。在单体途径中，组合转录因子以独立的方式寻找它们的靶点，并且它们之间的蛋白质相互作用将是微不足道的。蛋白质相互作用非常强，因此在异源寡聚体途径的情况下，TF的异源寡聚体复合物作为整体搜索同源位点。首先到达的TF将在招募路径中以顺序的方式招募相邻的TF。TF之间的蛋白质相互作用释放的自由能将反过来用于稳定TF-DNA复合物。这种TF的协调结合实际上表现为合作效应。只有当很少的转录因子参与组合调控时，MMPs和异源寡聚体途径才有效。详细的随机游走模拟表明，当组合中的TF的数量增加时，则这些路径中的TF的搜索效率以幂律方式随着TF数量的增加而降低。与单体途径相关的幂律指数似乎强烈依赖于TF的数量、TF的初始位置与其特异性结合位点之间的距离以及与TF在DNA上的动力学相关的跳跃大小。
2016-10-20 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Stochastic Ratchet Mechanisms for Replacement of Proteins Bound to DNA
实验表明，蛋白质与DNA的解结合速率取决于附近溶液中蛋白质的浓度。在这里，我们提出了一个理论的多步骤取代DNA结合蛋白质的溶液相蛋白质。对于四种不同的动力学方案，我们计算了蛋白质解结合和置换率对溶液蛋白质浓度的依赖性。我们发现：（1）溶液相蛋白质的逐渐“重新压缩”对最初结合蛋白质的“解压缩”释放的DNA位点的强烈影响;（2）溶液相蛋白质与DNA非特异性结合的模型可以描述非特异性DNA结合蛋白质Fis-Fis和Fis-HU之间的交换实验;（3）结合特异性模型描述了CueR蛋白在特异性结合位点上交换的实验。
2014-05-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-Grained model of the demixing of DNA and non-binding globular macromolecules
在盐溶液中，原核生物的基因组DNA所占据的体积比细胞大几千倍。此外，它与细胞的其余部分没有被膜隔开。然而，它只占据细胞的一小部分，称为类核。导致这种压缩的机制是目前正在辩论的问题。目前的工作旨在探索一个新提出的机制，根据该机制，类核的形成将导致DNA和非结合的球状大分子的细胞质，如核糖体的分层。为此，开发了原核细胞的粗粒度模型，并分析了作为拥挤者的大小和数量的函数的分层。该模型表明，压缩的DNA实际上是由拥挤的体积占有率，并保持弱几乎到堵塞的临界密度。然而，在堵塞之前观察到强烈的压实，这表明拥挤和静电排斥在此限制下协同作用。最后，用不同大小的拥挤物进行的模拟表明，DNA和最大的拥挤物优先分层。随着BSA蛋白和二氧化硅纳米颗粒浓度的增加，长DNA分子逐渐压实的最近观察，这项工作支持分层机制作为形成类核的关键球员。
2017-06-15 physics.bio-ph q-bio.BM
Equilibrium study of Protein/DNA Complexes from Crystal Structure Data
从晶体结构数据和使用平衡统计力学的概念，我们展示了如何计算蛋白质/DNA复合物的热力学。我们将该方法应用于TATA盒结合蛋白（TBP）/TATA序列复合物。我们估计了每个碱基对（bp）的自由能和熵的变化。从自由能的曲率估计DNA的局部刚性。我们还估计了由于与特定bp形成键而导致的蛋白质的自由能增益。因此，我们计算出负责特异性结合的bp。
2006-07-14 physics.bio-ph
Electrochemical DNA Hairpin Sensors for Differentiating Small Molecule Intercalation from Minor Groove Binding
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；St. John's University（圣约翰大学）
研究通过设计不同茎长和序列的发夹结构，优化电化学DNA传感器，实现对嵌入剂的灵敏检测，并能区分嵌入剂与小沟结合剂。
2026-06-23 physics.bio-ph q-bio.BM
On the Selection and Evolution of Regulatory DNA Motifs
调控DNA序列的突变和选择是作为一个理想的模型系统的分子进化，基因型，表型和健身可以明确和独立的特点。在这一理论研究中，我们构建了一个明确的模型的调控序列的进化，利用已知的生物物理学的结合的调控蛋白质的DNA序列，假设一个序列的健身仅取决于其结合亲和力的调控蛋白。该模型被限制在平均场（即，无限的人口规模）的限制。使用现实的所有参数的值，我们确定的最小健身优势需要保持一个绑定序列，明确展示了“错误阈值”以下的绑定序列不能生存的累积效应的突变长时间。在结合基序中通常观察到的“模糊性”是自然产生的，这是我们模型中选择和突变之间平衡的结果。此外，我们设计了一个简单的模型，在一个给定的调控区的多个结合序列的演变。我们发现，如果多个调节蛋白可以协同增强基因转录，则进化稳定的结合序列的数量随着适应性优势的增加而以阶梯状的方式增加。我们讨论了可能的实验方法来解决我们的研究所提出的开放问题。
2003-01-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Analysis of DNA thermal stability across a broad range of thionine concentrations
B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine（乌克兰国家科学院B.维尔金低温物理与工程研究所）
研究硫代喹啉与DNA的相互作用机制，揭示其浓度依赖的分子作用，为设计抗癌药物和核酸检测探针提供理论支持。
2026-04-28 physics.bio-ph
DNA-Protein Binding Rates: Bending Fluctuation and Hydrodynamic Coupling Effects
我们研究扩散粒子和半柔性聚合物上的靶位点之间的扩散限制反应，这是决定DNA-蛋白质结合和细胞骨架丝聚合动力学的关键因素。我们的理论集中在两个竞争的影响：聚合物的形状波动，这加快协会，和扩散颗粒和链之间的流体动力学耦合，这减慢协会。聚合物弯曲波动使用平均场动力学理论，而聚合物和颗粒之间的流体动力学耦合是通过一个简单的启发式近似。这两个我们验证通过比较与布朗动力学模拟。这两种效应都没有得到充分考虑之前在生物物理方面，我们表明，他们是必要的，以形成准确的估计反应过程。缔合速率取决于聚合物的刚度和颗粒尺寸，表现出最大的中间持久长度和最小的中间颗粒半径。在与DNA-蛋白质结合相关的参数范围内，与简单质心运动的Smoluchowski结果相比，速率增加高达100%。理论所作的定量预测可以通过实验来检验。
2010-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Elasticity of DNA and the effect of Dendrimer Binding
带负电荷的DNA可以被带正电荷的树枝状聚合物压缩，并且压缩程度是静电相互作用的强度和DNA的弹性之间的微妙平衡。我们报告各种弹性短双链DNA（dsDNA）和树枝状大分子结合的效果，使用完全原子分子动力学和数值模拟。在室温平衡状态下，dsDNA的轮廓长度分布P（L）和端-端距离分布P（R）近似为高斯分布，前者给出了dsDNA的拉伸模量γ_1的估计值，与文献值定量一致。dsDNA的弯曲角分布P（θ）也具有高斯形式，并且允许提取43 nm的持久长度L_p。当dsDNA被带正电的树枝状聚合物压实时，拉伸模量保持不变，但由于树枝状聚合物对dsDNA的骨架电荷中和，从端到端距离分布估计的有效弯曲刚度急剧下降。我们支持我们的观察与蠕虫状链（WLC）模型的数值解，以及使用非平衡dsDNA拉伸模拟。这些结果有助于理解dsDNA在短长度尺度下的弹性，以及当dsDNA结合到带电物体如树枝状聚合物或蛋白质时弹性如何被调制。
2013-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Rupture of DNA Aptamer: new insights from simulations
双链DNA中的碱基口袋（非互补碱基对）在生物过程中起着至关重要的作用。由于热波动，它可以降低DNA的稳定性，而在DNA适体的情况下，小分子例如腺苷单磷酸（AMP）、腺苷三磷酸（ATP）等与称为“结合口袋”的碱基口袋形成额外的氢键，这增强了稳定性。采用Langevin动力学方法对DNA的粗粒模型进行模拟，并结合原子论模拟，研究了碱基口袋和结合口袋对DNA适体稳定性的影响。本文报道了由温度和力引起的分离的显著差异，这需要通过单分子实验进一步研究。
2015-10-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
How the DNA sequence affects the Hill curve of transcriptional response
希尔系数通常被用作结合过程的协同性的直接度量。它是探测许多生物化学系统中反应性质的重要工具。在这里，我们分析了现有的实验数据，并证明希尔系数表征转录因子的同源位点的结合实际上可以大于一个-标准的指示cooperativity -即使在没有任何标准的合作结合机制。通过分析研究的问题，我们表明，这种效果的发生是由于无序的结合能的转录因子的DNA分子和转录因子的不同副本之间的空间相互作用。我们发现，增强希尔系数意味着一个显着减少的转录因子的拷贝数，这是需要占据一个同源位点，在许多情况下，可以解释现有的估计细胞中的转录因子的数量。该机制具有普遍性，也适用于其他生物识别过程。
2011-11-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Artificial DNA Lattice Fabrication by Non-Complementarity and Geometrical Incompatibility
DNA纳米结构的制造主要遵循两个基本规则。首先，DNA寡核苷酸通过互补碱基序列之间的沃森-克里克碱基配对规则相互结合。其次，DNA寡核苷酸的几何相容性必须匹配以形成晶格。在这里，我们提出了一个制造计划的DNA纳米结构与非互补和/或几何不相容的DNA寡核苷酸，这与传统的DNA结构的创建规则相矛盾。DNA晶格尺寸的定量分析进行了验证，这对应于算法自组装中的错误的不利的绑定发生。对这些类型的结合的进一步研究可能会对DNA纳米结构自组装的确切机制有更多的了解。
2011-05-30 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Electrostatic Binding and Hydrophobic Collapse of Peptide-Nucleic Acid Aggregates Quantified Using Force Spectroscopy
了解自聚集肽与核酸或其他聚阴离子之间的相互作用机制是理解多种人类疾病（例如阿尔茨海默病和帕金森病）的许多聚集过程的关键。由于疏水自聚集力和静电结合力之间的竞争，确定这种相互作用的亲和力和动力学步骤是具有挑战性的。Kahalalide F（KF）是一种抗癌疏水肽，其含有单个正电荷，赋予与聚阴离子的强聚集特性。这使得KF成为一个理想的模型，以阐明自聚集与结合到一个强电荷的生物体，如DNA竞争的机制。我们使用光镊施加机械力到单个DNA分子，并表明KF和DNA相互作用在两步动力学过程中促进的DNA的静电结合到聚集体表面，然后由复合物的稳定，由于疏水相互作用。从所测量的拉动曲线，我们确定的结合亲和力，动力学障碍和长度的DNA片段内的KF-DNA复合物隔离的光谱。我们发现有一个捕获的距离，超过这个距离，复杂的崩溃成紧凑的聚集体稳定的强疏水力，并讨论如何弯曲刚度的核酸影响这样的过程。我们推测，在体内环境中，KF的静电相互作用增强，由于其聚集可能介导的其他聚阴离子的结合。所提出的方法应该是有用的定量表征其他化合物或蛋白质中的聚集体的形成是相关的。
2014-08-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Binding of transcription factors adapts to resolve information-energy trade-off
我们从信息传递的角度研究了转录因子与DNA的结合。噪声通道的输入是与DNA位点结合的因子的生物物理信号，输出是该位点处可能的DNA序列的分布。这项任务涉及信息增益和结合相互作用的能量学之间的内在权衡-高结合能提供更高的信息增益，但由于因子被束缚得太紧而阻碍系统的动力学。我们表明，适应的结合相互作用下增加的信息传递的一般能量约束意味着，在每个碱基对的每特定的结合能的信息增益最大化。我们分析了数百个原核生物和真核生物的各种生物的转录因子，以评估的歧视能量。我们发现，根据我们的理论论点，结合能几乎最大化每能量的信息增益。这项工作表明，适应信息增益作为一个通用的分子识别系统的设计原则。
2015-08-05 physics.bio-ph q-bio.GN q-bio.MN
Changes in the zero point energy of the protons as the source of the binding energy of water to A phase DNA
质子在水中的零点动能在化学相互作用能的尺度上是大的（在本体室温水中为29 Kj/mol）。它的值取决于氢键网络的结构，并且可以随着网络被限制或随着水与表面相互作用而改变。这些变化已被观察到是大的化学尺度上限制在碳纳米管和干凝胶的孔隙中的水，并可能发挥基本的，被忽视的，在生物过程中涉及承压水的作用。我们使用深度非弹性中子散射测量鲑鱼Na-DNA中质子的平均动量分布，对于弱水合（6 w/bp）和脱水纤维样品。这允许测定从DNA中除去并置于本体液体中的每个水分子的系统总动能的变化。在误差范围内，该能量等于相同过程的测量焓，表明质子的零点运动的变化，由于水分子掺入DNA中而引起的结构变化，是水合作用下从A相到B相转变的能量学中的重要因素，在这种情况下，提供了水分子与DNA的全部结合能。在脱水相的动量分布的形状是一致的相干离域的一些质子在一个双阱势，与分离的井.2埃。
2010-02-23 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
In vitro binding energies capture Klf4 occupancy across the human genome
Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence Physics of Life, Technical University Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）
该研究通过体外测量Klf4与DNA序列的结合能量，结合线性模型与Ising模型，揭示了Klf4在人类基因组中的结合模式及预测其占据情况。
2026-03-04 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
Coarse-grained Modeling of DNA Curvature
DNA-蛋白质相互作用的建模是一个复杂的过程，涉及许多重要的时间和长度尺度。这可以通过使用粗粒度模型来促进，粗粒度模型减少了自由度的数量，并允许有效地探索绑定配置。已知DNA的局部结构可以显著影响其蛋白质结合性质（即DNA-组蛋白复合物中的固有曲率）。在全面的DNA-蛋白质建模的一个步骤中，我们扩展了3SPN.2粗粒度模型，以包括内在的形状，并验证了细化模型对实验数据，包括熔化温度，局部灵活性，持久性长度和小沟宽度轮廓。
2014-04-30 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Kinetics of protein-DNA interaction: facilitated target location in sequence-dependent potential
蛋白质对DNA上特定位点的识别和结合是许多细胞功能如转录、复制和重组的核心。在识别过程中，蛋白质快速搜索其在长DNA分子上的特定位点，然后强烈结合该位点。在这里，我们的目标是找到一种机制，可以提供一个快速搜索（1-10秒）和高稳定性的特定蛋白质-DNA复合物（$K_d=10^{-15}-10^{-8}$ M）。早期的研究表明，快速搜索涉及蛋白质沿着DNA的滑动。在这里，我们认为滑动作为一个一维（1D）扩散序列依赖的粗糙能量景观。我们证明，尽管景观的粗糙度，快速搜索可以实现，如果1D滑动伴随着3D扩散。我们估计快速搜索所需的特异性和非特异性DNA结合能的范围，并建议可以测试我们的机制的实验。我们表明，最佳搜索需要蛋白质花一半的时间沿着DNA滑动，一半的时间在3D中扩散。我们还建立，矛盾的是，现实的能量函数不能提供快速搜索和刚性蛋白质的强结合。为了调和这两个基本要求，我们提出了一个搜索和折叠机制，涉及耦合的蛋白质结合和部分蛋白质折叠。建议的机制有几个重要的生物学意义的搜索在其他蛋白质和核小体的存在下，同时搜索由几个蛋白质等建议的机制也提供了一个新的框架，解释蛋白质-DNA相互作用的实验和结构数据。
2004-09-23 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.BM
Nickel (II) Ions Interaction with Polynucleotides and DNA of Different GC Composition
这项工作的目的是研究GC替代二聚体在DNA与Ni（II）离子结合中的作用。采用紫外差光谱法研究了Ni（Ⅱ）离子与产气荚膜梭菌、小鼠肝（C3 HA系）、小牛胸腺、鲑鱼精子、鲱鱼精子、大肠杆菌、藤黄微球菌等组织中DNA及多聚核苷酸Poly（dA-dT）xPoly（dA-dT）、Poly（dG）xPoly（dC）、Poly（dG-dC）xPoly（dG-dC）的相互作用。结果表明，Ni（II）离子在大沟一侧与DNA双螺旋的外球结合选择了更稳定的二聚体3 ^'-C-G-5^'。. 5 ^'-G-C-3^'并与二聚体中两个鸟嘌呤的N7原子结合，形成G-G链间交联。它直接与沃森-克里克错对型点缺陷（产生罕见的酮-烯醇和氨基-亚氨基互变异构形式）和脱嘌呤化的形成过程相关。
2009-12-24 physics.bio-ph
A thermodynamic model for agglomeration of DNA-looping proteins
在本文中，我们提出了一个热力学机制的转录焦点通过联合凝聚的DNA环蛋白质和蛋白质结合结构域的DNA：蛋白质-DNA结合自由能的增益和熵损失之间的竞争，由于DNA环之间的有效吸引力。平均场近似可以通过映射到具有局部度约束和对连通分量的数量的全局约束的受限随机图系综来解析地描述。它显示了包含所有环状蛋白质的有限部分的蛋白质簇的出现。如果由于单个DNA环的熵损失足够高，则发现该跃迁是一阶的。
2008-10-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
DNA looping and physical constraints on transcription regulation
DNA环参与转录调控，例如，通过允许远端结合位点协同作用。在这里，我们研究这一过程，并比较不同的调控机制的基础上镇压和不循环。在一个简单的数学模型的乳糖操纵子，我们表明，调控的基础上DNA循环，除了增加镇压水平，可以减少转录的波动，并在同一时间，降低的敏感性变化的调节蛋白的数量。因此，成环能够规避仅基于与单个操纵基因位点结合的机制所固有的一些限制，并提供了一种不仅调节转录的平均性质而且调节其波动的机制。
2004-11-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
RecA-mediated homology search as a nearly optimal signal detection system
同源重组促进了同源DNA分子之间遗传物质的交换。这一关键过程需要在大量异源序列中检测特定的同源DNA序列。该检测由E.大肠杆菌，或其在其他生物体中的超家族成员。在这里，我们研究RecA-DNA相互作用对其任务的调整程度。通过将DNA识别过程制定为信号检测问题，我们找到了最大化检测同源序列能力的结合能的最佳值。我们表明，实验观察到的结合能接近最佳。这意味着RecA诱导的变形和结合能量学被微调以确保最佳序列检测。我们的分析表明，RecA的DNA延伸，其中变形增强检测的可能作用。本发明的信号检测方法提供了用于测试其它分子识别系统的最优性的一般配方。
2010-11-19 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
Accurate prediction of gene expression by integration of DNA sequence statistics with detailed modeling of transcription regulation
基因调控涉及从特异性蛋白质-DNA相互作用到核蛋白复合物的组合装配的事件的层次结构。DNA序列对这些过程的影响通常是基于其与单结构域结合自由能的定量联系或基于结合不同DNA基序以在基因组尺度上预测基因表达趋势的经验规则来研究的。然而，在数量上连接这两个极端的中间点方法在很大程度上仍未得到探索。在这里，我们提供了一个综合的方法来准确预测基因表达的统计序列信息结合详细的生物物理模型的转录调控多域结合多个DNA位点。对于典型的乳糖操纵子的调节，这种方法预测在0.3倍的准确度内转录活性超过10，000倍的范围从DNA序列统计不同的细胞内条件。
2010-12-16 cond-mat.stat-mech cs.CE physics.bio-ph
