The synergy between protein positioning and DNA elasticity: energy minimization of protein-decorated DNA minicircles
蛋白质与DNA的结合有助于基因组的形成和包装以及特定遗传信息的表达。为了了解蛋白质的存在和DNA的变形之间的相互作用，在这样的过程中，我们开发了一种新的方法，以尽量减少弹性能量的DNA片段在介观水平。我们的方法使得有可能获得最佳途径的蛋白质修饰的DNA分子的末端碱基对的空间约束。在这项工作中，我们专注于选定的建筑蛋白质对环状DNA诱导的变形。我们报告的能量景观的DNA微环受到不同程度的扭转应力，并包含一个或两个蛋白质的功能的链长和蛋白质之间的间距。我们的研究结果揭示了双螺旋的弹性和结合蛋白引起的DNA结构扭曲之间的合作。我们发现，施加的机械应力会影响蛋白质在DNA上的位置，而蛋白质反过来又会调节机械应力，从而沿着DNA传播它们的存在。
2014-05-29 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Base sequence dependent sliding of proteins on DNA
考虑了蛋白质在DNA上的滑动运动受碱基序列通过碱基对阅读相互作用的影响的可能性。参考的情况下，T7 RNA聚合酶，我们表明，蛋白质应该遵循一个噪声影响的序列依赖的运动，偏离标准的随机游走通常假设。一般的有效性和影响的结果进行了讨论。
2004-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
How a protein searches for its specific site on DNA: the role of intersegment transfer
已知蛋白质在DNA上定位其特异性靶标的速度比Smoluchowski三维扩散速率预测的快两个数量级。为解决这一差异而提出的机制之一被称为“部门间转移”。许多蛋白质具有两个DNA结合位点，并且可以从一个DNA片段转移到另一个DNA片段而不与水解离。我们计算的目标搜索率，这样的蛋白质在一个致密的球状DNA，考虑到片段间转移与DNA运动和蛋白质沿DNA滑动。我们表明，片段间转移起着非常重要的作用，在蛋白质的大部分时间吸附在DNA上的情况下。
2007-07-24 cond-mat.soft q-bio.BM
Coarse-Grained Nucleic Acid-Protein Model for Hybrid Nanotechnology
杂交DNA -蛋白质纳米技术的新兴领域带来了许多新材料的潜力，这些材料将DNA纳米技术的可寻址性与蛋白质相互作用的多功能性相结合。然而，这些混合结构的设计和计算研究是困难的，由于所涉及的系统尺寸。为了帮助设计和计算机分析过程中，我们在这里介绍了一个粗粒度的DNA/RNA-蛋白质模型，扩展了DNA/RNA的oxDNA/oxRNA模型与基于各向异性网络模型表示的粗粒度蛋白质模型。我们的模型完全配备了分析脚本和可视化，旨在促进最终实验实现的混合纳米材料设计，以及使生物复合物的研究成为可能。我们通过模拟DNA-蛋白质纳米笼、包裹在组蛋白周围的DNA和聚合酶中的新生RNA进一步证明了它的用途。
2020-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Impact of self-association on the architectural properties of bacterial nucleoid proteins
细菌的染色体DNA折叠成一个紧凑的体，称为类核，它基本上由DNA（80%），RNA（10%）和许多不同的蛋白质（10%）组成。这些类核蛋白作为基因表达的调节剂，通过桥接、弯曲或包裹DNA来影响类核的组织。这些所谓的类核蛋白的结构特性仍然知之甚少。例如，为什么某些蛋白质在某些环境中使DNA卷曲紧密，而在其他环境中使DNA变得更加刚性，这是一个正在进行的辩论。在这里，我们解决的问题，其建筑性能的类核蛋白的自关联的影响，并试图确定是否差异自关联足以诱导大的变化，在组织的DNA螺旋。更具体地说，我们开发了两种粗粒度的蛋白质模型，它们与DNA的相互作用相同，但在没有DNA的情况下通过形成簇或细丝而形成不同的自缔合。我们通过布朗动力学模拟表明，蛋白质的自缔合显著增加了它们塑造DNA螺旋的能力。此外，我们观察到，簇形成蛋白质显着压缩DNA螺旋（类似于H-NS蛋白的DNA桥接模式），而非簇形成蛋白质显着增加DNA链的刚度（类似于H-NS蛋白的DNA硬化模式）。因此，这项工作表明，蛋白质的DNA结合特性的知识本身是不够的，以了解他们的建筑特性。相反，它们的自缔合特性也必须详细研究，因为它们实际上可能驱动不同DNA/蛋白质复合物的形成。
2021-10-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Modeling supercoiled DNA interacting with an anchored cluster of proteins: towards a quantitative estimation of chromosomal DNA supercoiling
我们研究的DNA超螺旋密度（$σ$）沿染色体使用DNA和DNA锚定的蛋白质簇之间的相互作用频率的测量。具体来说，我们展示了如何物理的DNA超螺旋导致，在细菌中，对ParB蛋白质的结合特性的定量建模围绕其着丝粒样网站，{ \it parS}。使用这个框架，我们提供了一个上限为$σ$在{ \it大肠杆菌}染色体，与质粒值一致，并提供了一个高精度测量的概念证明。为了得出这些结论，我们重新审视了ParB集群的形成问题。我们预测，特别是，它们是由产生的蛋白质的流入和过量蛋白质的流出之间的非平衡、稳定平衡引起的，即，它们表现得像具有非常规“渗漏”边界的液体状蛋白质浓缩物。
2020-04-07 physics.bio-ph q-bio.BM
In vivo evidence of alternative loop geometries in DNA-protein complexes
lac阻遏物使双链DNA成环的体内自由能具有显著的行为，其起源尚未完全了解。除了固有的周期性的DNA双螺旋，在体内的自由能有一个振荡分量的约一半的螺旋周期和振荡的幅度显着小于目前的理论预测的不对称。在这里，我们表明，在体内的行为是准确地占同时存在的两种不同的构象的环状DNA。我们的分析表明，这两种构象具有不同的最佳自由能和相位，并且它们在关键结构蛋白的存在下表现得截然不同。
2006-02-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
How does a protein search for the specific site on DNA: the role of disorder
蛋白质可以在DNA上定位它们的特定目标，比Smoluchowski三维扩散速率快两个数量级。这是由于蛋白质对DNA的非特异性吸附以及随后沿DNA的一维滑动。我们称这种朝向目标的一维路线为“天线”。我们研究了天然DNA的准随机序列对天线内非特异性结合能色散的影响。滑动蛋白质的随机能量分布减慢了目标的搜索速度。我们表明，这种放缓是不同的宏观和介观天线。
2006-04-24 cond-mat.soft q-bio.BM
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
Nanoplasmonic Tweezers Visualize Protein p53 Suppressing Unzipping of Single DNA-Hairpins
在这里，我们报告使用双纳米孔（DNH）光镊作为一种无标记和自由溶液的单分子探针蛋白质-DNA相互作用。使用这种方法，我们证明了解压缩的个人10个碱基对DNA发夹，并量化肿瘤抑制基因p53蛋白如何延迟解压缩。从Arabius行为，我们发现p53引入的解压缩的能量势垒是$2\times 10^{-20}$ J，而cys 135 ser突变体p53不显示解压缩的抑制，这给出了其功能上不能抑制肿瘤生长的线索。这种变革性的单分子分析方法允许对蛋白质-DNA相互作用进行超灵敏检测和定量，从而彻底改变对遗传疾病的斗争。
2014-03-16 physics.bio-ph q-bio.BM
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
Effect of supercoiling on formation of protein mediated DNA loops
DNA环的形成是生物体用来调节基因的几种机制之一。形成环的自由能是决定相关基因是开启还是关闭的重要因素。本文用DNA弹性杆模型测定了蛋白质介导的DNA短环（50- 100个碱基对）形成自由能。活细胞DNA中的超螺旋应力是决定环形成的能量学的关键因素，我们在计算中明确地考虑到了这一点。阻遏蛋白本身被认为是一个刚性耦合器;它的几何形状通过它施加在DNA上的边界条件进入问题。我们表明，这些成分的理论是足够的解释在体内基因活性的调制中观察到的某些功能作为操作位点之间的距离的函数的乳糖阻遏物。我们还使用我们的理论作出定量预测的依赖循环的超螺旋应力，这可能是可测试的在体内和单分子实验，如拴系粒子测定和磁珠测定。
2006-11-03 cond-mat.soft 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
Bend-Induced Twist Waves and the Structure of Nucleosomal DNA
最近的工作表明，扭转-弯曲耦合在DNA微观力学中起着重要的作用。在这里，我们研究它对弯曲DNA的影响。我们提供了一个解析解的最小能量形状的环状DNA，表明扭曲弯曲耦合诱导正弦扭曲波。这种解决方案是在与微环和核小体DNA数据，这是弯曲和包裹在组蛋白蛋白的超螺旋构象的粗粒度模拟非常一致。我们的分析表明，所观察到的扭曲振荡的核小体DNA，到目前为止归因于与组蛋白的相互作用，是一个固有的功能，自由弯曲的DNA，并应观察到在其他蛋白质-DNA复合物。
2018-08-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
DNA looping: the consequences and its control
由蛋白质和蛋白质复合物形成的DNA环在许多基本细胞过程中普遍存在，包括转录、重组和复制。本文综述了近年来在理解DNA成环的性质及其如何通过基因调控传播到细胞行为方面的进展。将分子特性与细胞生理学联系起来的结果表明，体内DNA的成环比当前模型预测的要复杂得多，也更容易，并揭示了大量以前未被认识的细节。
2006-09-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A Model of Sequence Dependent Protein Diffusion Along Dna
我们引入了一个概率模型的蛋白质滑动运动沿DNA在搜索的目标序列。该模型解释了由于非特异性DNA和蛋白质之间的序列依赖性相互作用可能产生的影响。作为一个例子，我们专注于T7 RNA聚合酶，并利用其在启动子位点的相互作用的可用信息，以研究噬菌体T7 DNA序列对滑动过程的动力学的影响。大沟中的氢键被用作RNA聚合酶和DNA之间的主要序列依赖性相互作用。详细讨论了由此产生的动力学性质和实验验证的可能性。我们表明，虽然在大的时候，该过程达到一个纯扩散制度，它最初显示一个子扩散行为。亚扩散状态可以持续足够长的时间以引起生物学兴趣。
2002-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Target search on a dynamic DNA molecule
我们研究了一个适用于体外实验的具有显式DNA动力学的蛋白质-DNA靶标搜索模型。我们表明，DNA动力学发挥了至关重要的作用，蛋白质的有效性之间的“跳跃”的网站远离沿DNA轮廓，但关闭在3D空间。一个强结合的蛋白质，搜索一维滑动和跳跃单独，探索搜索空间冗余少时，DNA动力学是快速的蛋白质跳跃的时间尺度比在相反的“冻结DNA”的限制。我们使用模拟和标度理论来描述这些限制之间的交叉。我们还合理化的缓慢探索在冻结的限制作为一个微妙的相互作用之间的长跳跃和长捕获时间的蛋白质在“岛屿”内的随机DNA配置在解决方案。
2011-09-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Coupled dynamics of DNA-breathing and single-stranded DNA binding proteins
我们研究的DNA分子中的局部变性区的大小波动的蛋白质的存在下，选择性地结合到单链DNA，基于（2+1）维主方程。通过调整物理参数，我们可以驱动系统从不受干扰的气泡波动，以充分，结合蛋白质诱导变性。我们确定了DNA泡的有效自由能景观，并探讨了它的弛豫模式。
2005-06-17 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Transfer-matrix calculations of the effects of tension and torque constraints on DNA-protein interactions
活细胞中染色体DNA的组织和维持强烈依赖于DNA与大量DNA结合蛋白的相互作用。单分子研究表明，核蛋白复合物在DNA上的形成经常受到施加到DNA上的力和扭矩的限制。尽管现有的实验技术允许对单个DNA生物聚合物施加这些类型的机械约束，但由于缺乏能够有效解释复杂实验观察的系统理论方法，它们在调节DNA-蛋白质相互作用中的确切作用仍然没有完全理解。为了填补这一空白，我们已经开发了一个通用的理论框架的基础上的转移矩阵计算，可用于准确地描述力和扭矩约束下的DNA-蛋白质相互作用的行为。构建的理论方法的潜在应用表明，通过预测这些约束如何影响不同类型的建筑蛋白质的DNA结合特性。所获得的结果提供了重要的见解机械力在染色体DNA组织的潜在生理功能的建筑蛋白质，以及到DNA-蛋白质相互作用的单DNA操作研究。
2018-09-04 q-bio.BM
Protein sliding and hopping kinetics on DNA
使用蒙特卡罗模拟，我们去卷积的滑动和跳跃动力学的GFP-LacI蛋白质的延长DNA从他们的实验观察秒长的扩散轨迹。我们的模拟结果表明：（1）在每个扩散轨迹中，蛋白质平均进行数百次交替的滑动和跳跃，平均滑动时间为几十ms;（2）在快扩散轨迹中，滑动占主导地位，而跳跃占主导地位;（3）流动和盐浓度的变化对跳跃动力学的影响有限，而体内DNA构型预计不会影响滑动动力学;（4）大于200 nm的啤酒花的出现率与EcoRV蛋白的实验数据一致。
2011-07-22 physics.bio-ph q-bio.BM
Predicting variation of DNA shape preferences in protein-DNA interaction in cancer cells with a new biophysical model
DNA形状读出是转录因子识别靶位点的一个重要机制。近年来，人们发展了几种考虑DNA形状的转录因子-DNA结合模型。本文提出了一种新的基于相邻二核苷酸依赖模型BayesPI 2的考虑DNA形状特征的蛋白质-DNA相互作用的生物物理模型。新模型的参数被限制在由2聚体DNA形状特征跨越的子空间中，这允许将新参数解释为对某些特征值的位置依赖性偏好的生物物理解释。使用新的模型，我们探讨了DNA形状偏好的变化，在几个转录因子跨癌细胞系和细胞条件。我们发现了用类固醇处理后MCF 7细胞中FOXA 1结合位点的DNA形状变化的证据。新模型对于阐明转录因子-DNA相互作用的更精细细节是有用的。它可以用于改善未来癌症突变效应的预测。
2017-10-31 physics.bio-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
Multilevel Deconstruction of the In Vivo Behavior of Looped DNA-Protein Complexes
具有环的蛋白质-DNA复合物在从DNA转录的调节到端粒维持的各种细胞过程中发挥重要作用。尽管它们无处不在，但它们的精确体内特性及其整合到细胞功能中仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们提出了一个多层次的方法，有效地连接在两个方向的分子特性与细胞生理学，并使用它来表征的环状DNA-lac阻遏物复合物的分子特性，而在体内发挥作用。我们发现的属性包括存在的两个代表性的构象的复杂的，稳定的一个构象的DNA建筑蛋白质，和精确的值的基本扭转弹性常数和弯曲自由能。将所有这些分子信息整合到基因调控模型中，揭示了环状DNA-蛋白质复合物在塑造基因表达特性方面前所未有的多功能性。
2007-04-18 q-bio.BM q-bio.SC
Dynamics of Hydrogen Bonds Coupling on the Specific DNA-Protein Interactions
我们提出了一个动力学模型描述DNA和一个特定的结合蛋白质之间的相互作用，涉及远程传输。动力学依赖于DNA和蛋白质之间以及碱基对之间形成的氢键之间的耦合，因为它们解释了结合的位点特异性。我们采用带有耦合项的Morse势来构造哈密顿量。该模型引起呼吸激发，对应于DNA泡的形成，其作为遗传信息的载体传播。我们研究了各种可能的耦合动力学，并建议在描绘复性或杂交过程的模型的可行性。
2016-03-15 cond-mat.soft nlin.PS q-bio.BM
Requirements for DNA-bridging proteins to act as topological barriers of the bacterial genome
细菌基因组被划分为几个拓扑上相互独立的长染色体结构域，这意味着一个结构域中DNA超螺旋性的变化不会传播到相邻的结构域。在体内和体外实验已经进行了质疑的拓扑障碍的性质在发挥作用，导致几个可能的分子演员的预测。在这里，我们解决的问题，拓扑障碍使用聚合物模型的超螺旋DNA链。更具体地说，我们确定在何种条件下DNA桥蛋白可以作为拓扑障碍。为此，我们开发了一个粗粒度的珠和弹簧模型，并通过布朗动力学模拟研究其性质。因此，我们发现，DNA桥接蛋白必须施加相当强的约束，其结合位点：他们必须阻止扩散的多余的扭曲通过两个结合位点上的DNA分子，同时，防止旋转的一个DNA片段相对于其他。重要的是，并非所有的DNA桥蛋白都满足第二个条件。例如，由非特异性结合DNA的蛋白质形成的单桥，如H-NS二聚体，预计在这方面会失败。我们的研究结果也可能解释，在特定的DNA桥接蛋白如LacI的情况下，为什么需要多个桥来创建稳定的独立拓扑结构域。引人注目的是，当DNA片段的相对旋转不被阻止时，松弛导致两个结构域的复杂插入。此外，虽然每个域中的扭转应力值可能不同，但它们的差异被保留。我们的工作还预测，已知包裹DNA的类核相关蛋白必须形成更高的蛋白质-DNA复合物，以有效地发挥拓扑屏障的作用。
2020-08-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
Role of salt valency in the switch of H-NS proteins between DNA-bridging and DNA-stiffening modes
本工作通过粗粒度模型进行计算机模拟，研究H-NS蛋白和细菌基因组DNA的相互作用。该模型是专门开发的，以研究H-NS蛋白质从DNA-硬化到DNA-桥接模式的转换，这在向缓冲液中加入多价阳离子后已被反复观察到，但仍不清楚。解开相应的机制是更加关键的，因为H-NS蛋白以及其他类核蛋白的调节特性与它们的DNA结合特性有关。这里报道的模拟支持一种机制，根据该机制，多价阳离子的主要作用在于与H-NS/H-NS相互作用相比降低H-NS/DNA相互作用的强度，后者变得相对于前者在缓冲液的阳离子的有效价态的一定阈值以上在能量上有利。在阈值以下，H-NS二聚体形成细丝，其沿着DNA分子伸展，但在桥接基因组上遥远的DNA位点（DNA硬化模式）方面非常低效。相比之下，仅在阈值以上，H-NS二聚体形成3维簇，其能够连接远离基因组观点的DNA位点（DNA桥接模式）。该模型提供了明确的理论基础的实验观察，这两种模式之间的切换是一个阈值效应和H-NS二聚体的能力，以形成更高的顺序低聚物是至关重要的，他们的桥接能力。
2018-03-26 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
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
How do proteins search for their specific sites on coiled or globular DNA
从分子生物学的早期就知道，蛋白质在DNA上定位其特异性靶标的速度比Smoluchowski 3D扩散速率快两个数量级。这是由于Delbruck的想法，它们非特异性地吸附在DNA上，沿着DNA滑动提供了更快的一维搜索。令人惊讶的是，DNA构象的作用从未在这种情况下被考虑过。在这篇文章中，我们明确地解决了三维扩散和一维滑动沿螺旋或球状DNA的相对作用和相关的解吸蛋白质的再吸附的可能性。我们已经确定了丰富的新的不同的缩放制度。我们还发现，由于滑动的反应的最大可能的加速，我们发现，速率与离子强度曲线上的最大值是不对称的，滑动不仅可以导致加速，但在某些制度的反应急剧减速。
2005-10-24 cond-mat.soft q-bio.BM
Electrodynamic forces driving DNA-protein interactions at large distances
本文基于二次量子化模型和含时变分原理，研究DNA与蛋白质间的选择性电动力学相互作用，通过EcoRI酶与DNA序列的共共振峰验证了该机制，并指出序列依赖性电荷转移对生化过程有潜在影响。
2024-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Compaction and condensation of DNA mediated by the C-terminal domain of Hfq
Hfq是一种细菌蛋白，参与核酸代谢的几个方面。它被描述为塑造细菌染色体的类核相关蛋白之一，尽管它更好地影响细胞RNA的翻译和周转。在这里，我们探讨大肠杆菌Hfq C-末端结构域在双链DNA压缩中的作用。各种实验方法，包括荧光显微镜成像的单DNA分子内的纳米流体通道，原子力显微镜，等温滴定微量热法，和电泳迁移率测定已被用来跟踪组装的C-末端和N-末端区域的Hfq的DNA。结果突出了Hfq C-末端臂在DNA结合中的作用，双螺旋的机械性质的变化和DNA压缩成浓缩形式。C-末端结构域对DNA的桥接和压缩的倾向可能与结合蛋白的聚集有关，并且可能对蛋白结合相关的基因调控具有影响。
2017-05-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Protein-DNA computation by stochastic assembly cascade
RecA在单链DNA上的组装被测量和解释为一个随机有限状态机，它能够区分序列之间的细微差异，这是一个基本的计算操作。RecA细丝通过随机成核和解体事件的级联有效地扫描DNA序列，这在机制上类似于微管的动态不稳定性。这种迭代级联是一个多阶段的动态校对过程，放大了微小的差异，甚至是一个碱基的变化。我们的测量表明，这种随机图灵类机器可以计算某些积分变换。
2010-08-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Femtonewton Forces Can Control Protein-Meditated DNA Looping
我们发现，微小的熵力，在100 fN的顺序，可以防止DNA环的形成-一个无处不在的手段，调节基因的表达。我们观察到一个10倍的下降率的LacI介导的DNA环的形成时，施加到基板DNA的张力为200 fN，偏置的热波动，驱动环的形成和击穿事件。相反，一旦成环，DNA-蛋白质复合物对施加的力不敏感。我们的测量结果与DNA中环形成的简单聚合物模型非常一致，并表明反平行拓扑结构是通用环形成结构的首选LacI-DNA环构象。
2010-01-04 q-bio.BM
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
DNA nano-mechanics: how proteins deform the double helix
从物体的静态形状和已知的弹性性质来推断物体上的外力和扭矩是机械工程中的一个标准练习。在这里，我们将这种分析应用于与蛋白质复合的扭曲双螺旋DNA。我们从高分辨率的复杂结构中提取作用在结合DNA的每个碱基对上的局部平均力和扭矩。我们的方法依赖于已知的弹性潜力和精心选择的坐标的良好建立的刚性碱基对模型的DNA。结果在参数和构象不确定性方面具有稳健性。它们揭示了蛋白质和DNA之间相互作用的复杂纳米机械模式。碱基对力和扭矩与观察到的DNA构象非平凡和非局部相关，为DNA-蛋白质结合提供了一个新的视角，补充了结构分析。
2008-12-17 q-bio.BM
The Electronic Behavior of Zinc-Finger Protein Binding Sites in the Context of the DNA Extended Ladder Model
真核生物Cys 2 His 2锌指蛋白广泛存在于DNA的高度保守结构域，负责基因调控和DNA的空间组织。为了研究和理解锌指DNA-蛋白质相互作用，我们使用Zhu，Rasmussen，Balatsky \& Bishop（2007）\cite{Zhu-2007}提出的DNA模型中的扩展梯。考虑DNA双链上每个核苷酸的$π$ -轨道上都有一个无自旋电子，我们发现了沿结合位点的{ \color{black}底占据轨道（BOMO）}、最高占据轨道（HOMO）和最低未占据轨道（LUMO）的典型模式.我们专门研究了锌指蛋白家族的两个成员：特异性蛋白1（SP1）和早期生长反应转录因子1（EGFR 1）。当价带被填满时，我们发现沿着核苷酸序列的嘌呤中的电子与SP 1和EGFR 1锌指中结合氨基酸的电荷相容。
2015-08-12 q-bio.BM
Probing DNA interactions with proteins using a single-molecule toolbox: inside the cell, in a test tube, and in a computer
DNA相互作用蛋白具有多种作用过程，许多作为分子机器进行动态亚稳态转变以实现其生物学功能。为了充分理解这种分子异质性，DNA和与其结合的蛋白质必须在其天然体内环境中以单分子水平理想地被询问，以时间分辨的方式快速地对跨越自由能景观的分子跃迁进行采样。在过去的十年中，在利用物理科学的尖端工具来解决具有挑战性的生物学问题方面取得了进展，这些问题涉及与DNA结合的几种不同蛋白质的功能和作用模式。这些生理学相关的测定在技术上具有挑战性，但可以通过强大且通常更易于处理的体外实验来补充，这些实验赋予化学环境的优势，具有增强的分子特征和过渡事件的单噪声检测。在这里，我们讨论了一系列的技术，我们已经开发出监测DNA-蛋白质相互作用在体内，体外和计算机。这些包括定制的单分子荧光显微镜技术，以阐明细菌复制体的结构和动力学以及细菌染色体的结构维持，以及新的计算工具，从活细胞中提取单分子特征，以监测活细胞中的化学计量，空间定位和流动性。我们还讨论了我们实验室在体外的最新进展，补充了这些体内研究，这些研究结合了光学和磁性镊子，在一种新的超分辨率荧光显微镜中操纵和成像单分子DNA，有和没有结合蛋白质。
2015-04-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Energetics of Protein-DNA Interactions
蛋白质-DNA相互作用对于活细胞中的许多过程至关重要，特别是转录调节和DNA修饰。为了在微观水平上进一步理解这些重要的过程，理论模型必须准确地描述大分子相互作用的能量学。虽然已经提出了几种方法，但还没有仔细比较不同的方法能够预测生物学上重要的量，如正确的DNA结合序列，总结合自由能和DNA突变引起的自由能变化。除了进行比较，我们提出了两个重要的理论模型，最初在蛋白质折叠尚未尝试蛋白质-DNA相互作用。在这个过程中，我们发现这些基于知识的势的结果显示出强烈的依赖于相互作用距离和推导方法。最后，我们提出了一个知识为基础的潜力，提供可比或优于其他方法，包括分子力学力场AMBER 99的最好的结果。
2006-11-30 q-bio.BM
Identification of DNA-binding protein target sequences by physical effective energy functions. Free energy analysis of lambda repressor-DNA complexes
蛋白质与DNA的特异性结合是控制基因表达的最常见方式之一。虽然可以推导出DNA-蛋白质识别的一般规则，但这种机制的模糊性和复杂性排除了简单的识别代码，因此DNA靶序列的预测并不简单。DNA-蛋白质相互作用的研究可以使用计算方法，可以补充目前的实验方法，并提供一些优势。在目前的工作中，我们使用物理有效势来评估的λ阻遏物-DNA复合物的结构和热力学实验数据的DNA-蛋白质的结合亲和力。通过分子动力学模拟计算的结合能上的构象采样的效果进行评估，结果表明，这种效果一般是负面的，实验值的再现性随着模拟时间的增加而降低。非特异性复合物的结合自由能与早期的理论建议一致。此外，作为这些分析的结果，我们提出了一个用于预测DNA结合靶序列的协议。探讨了使用该协议在噬菌体λ基因组内搜索调控元件的可能性。我们的分析显示出良好的预测能力，即使在没有任何热力学数据和自然识别序列的信息。这项研究支持的结论是，基于物理的方法可以提供一个完全互补的方法，以序列为基础的DNA结合蛋白靶序列的鉴定方法。
2007-12-14 q-bio.BM q-bio.GN
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
Protein-DNA binding sites prediction based on pre-trained protein language model and contrastive learning
该研究提出结合预训练蛋白质语言模型和对比学习的方法CLAPE预测蛋白质-DNA结合残基，实验证明其性能优于现有模型，且可作为结合位点预测的通用框架。
2023-06-28 q-bio.BM q-bio.QM
Overcharging of zinc ion in the structure of zinc finger protein is needed for DNA binding stability
锌指结构是核酸结合蛋白的非常常见的基序，其中Zn 2+离子与四面体结构中的4个半胱氨酸或组氨酸氨基酸结合。人类基因组中约有3%的基因存在相应的相互作用模式。因此，锌指已被证明在各种治疗和研究能力以及生物技术中非常有用。在稳定构型中，半胱氨酸氨基酸被去质子化并带负电荷。这意味着Zn 2+离子被4个半胱氨酸电荷过度屏蔽（过度充电）。当这种带负电荷的锌指与带负电荷的DNA分子结合时，这种过电荷的构型是否也是稳定的，这是一个问题。利用全原子分子动力学模拟的雄激素受体蛋白二聚体的微秒范围内，我们研究了半胱氨酸的去质子化状态如何影响其结构，动力学和功能的结合o DNA分子。我们的研究结果表明，半胱氨酸残基的去质子化状态是必不可少的机械稳定的功能，折叠构象。这种状态不仅稳定了蛋白质结构，还稳定了蛋白质-DNA结合复合物。两个（序列相同）单体的结构和能量特性的差异也进行了研究，显示出DNA对锌指结构的强烈影响。我们的研究结果对更好地理解最常见的一类锌指分子具有潜在的影响
2020-02-22 cond-mat.soft q-bio.BM
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
The energy landscape of DNA-binding proteins along the genome
Istituto Europeo di Oncologia（欧洲肿瘤研究所）；Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS)（海德堡理论研究所）；Heidelberg University（海德堡大学）；Università degli Studi di Milano（米兰大学）；INFN（意大利国家核物理研究所）
研究沿基因组的DNA结合蛋白能量景观，核心方法是用含蛋白质结构等的数据集训练机器学习算法，主要贡献是确定转录因子PU.1在染色体上的能量分布，预测结合区域并量化相关统计特性。
2026-07-21 q-bio.BM
Inferring the in vivo looping properties of DNA
通过蛋白质和蛋白质复合物使DNA成环的自由能决定了远端DNA位点可以相互影响的程度。我们推断其在体内的价值，通过结合计算实验方法为不同长度的循环，并发现，除了固有的周期性的DNA双螺旋，自由能有振荡的组成部分，约一半的螺旋周期。此外，振荡具有这样的振幅，使得调节分子的作用强烈依赖于它们精确的DNA定位，但很容易通过它们的合作相互作用来调节。这些意想不到的结果可以赋予DNA的物理性质在形成基因调控的性质方面比以前认为的更突出的作用。
2005-12-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Theory on the mechanism of site-specific DNA-protein interactions in the presence of traps
转录因子（TF）蛋白与基因组DNA的位点特异性结合的速度似乎被随机发生的序列陷阱强烈阻碍。陷阱是那些与原始特异性结合位点具有显著相似性的DNA序列。如何设计天然存在的TF及其特异性结合位点来管理这种随机存在的陷阱的阻滞效应是一个有趣的问题。我们建立了一个简单的随机游走模型，研究了在序列陷阱存在下转录因子与基因组DNA的位点特异性结合。我们的动力学模型预测：（a）当陷阱围绕特定的结合位点排列时，陷阱的阻滞效应最小，使得陷阱与陷阱的结合强度与陷阱距特定结合位点的距离呈负相关;（b）DNA的凝聚构象状态可以缓和序列陷阱的阻滞效应。我们对小鼠和人类基因组中各种TF的推定结合位点周围的序列陷阱分布的计算分析结果清楚地符合理论预测。我们建议，陷阱的分布可以被用作一个额外的度量，以有效地确定特定的结合位点的基因组DNA上的TF。
2016-05-31 q-bio.BM q-bio.SC
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
Searching fast for a target on a DNA without falling to traps
基因组表达关键取决于调节蛋白在几秒钟内定位DNA上特定靶位点的能力，以及这些蛋白与DNA之间形成长寿命（许多分钟）复合物的能力。平衡实验表明，调节蛋白确实与它们的靶位点紧密结合。然而，他们也发现了与其他非特异性位点的强结合，这些位点作为陷阱，可以显着增加定位目标所需的时间。这导致了速度和稳定性要求之间的冲突。在这里，我们提出了一个简单的机制，它可以解决这个长期存在的悖论，即使在陷阱的存在下，允许目标网站被定位的蛋白质在短时间内。我们的理论分析表明，该机制是强大的，在DNA序列中存在的一般性的障碍，并不需要一个专门设计的靶位点。
2009-01-28 cond-mat.soft q-bio.BM
Tangle Solutions for a Family of DNA-Rearranging Proteins
我们研究了两个系统的纠缠方程时出现的建模的整合酶家族的蛋白质对DNA的作用。这两个系统-正向和反向重复序列-对应于初始DNA序列的两种不同的可能性。我们提出了一类新的解决方案的缠结方程。在反向重复序列的情况下，我们证明，任何解决方案，而不是在这些，或2以前已知的类，将不得不属于一个特定的类。在直接重复的情况下，我们证明了这三类是唯一可能的解决方案。
2004-12-23 math.GT q-bio.BM
RecA and RecB: probing complexes of DNA repair proteins with mitomycin C in live Escherichia coli with single-molecule sensitivity
RecA蛋白和RecBCD复合物是维持和修复DNA的关键细菌组分，RecBCD是一种解旋酶-核酸酶，其使用同源重组来解析双链DNA断裂，并且还促进RecA修饰单链DNA以形成RecA细丝，这是双链断裂DNA修复途径中的重要步骤。然而，关于RecA和RecBCD在活细胞中的机制作用仍然存在问题。在这里，我们使用毫秒超分辨荧光显微镜，以确定在单个活大肠杆菌细胞中的生理表达水平的RecA和RecB的荧光报告的空间定位。通过引入DNA交联剂丝裂霉素C，我们诱导DNA损伤，并量化RecA和RecB的化学计量，拷贝数和分子迁移率的变化。我们发现，这两种蛋白质积累在分子热点，以实现修复，导致RecA的化学计量相当于几百个分子，主要作用于RecA四聚体DNA损伤前，但切换到大约六聚体亚基成熟丝形成时。出乎意料的是，我们发现RecB的生理主要形式是二聚体。
2021-10-04 q-bio.BM
Protein-mediated DNA Loop Formation and Breakdown in a Fluctuating Environment
活细胞提供了一个波动的、不平衡的环境，在这个环境中，基因必须协调细胞功能。DNA成环是调节转录的一种常见方式，它在很大程度上是一个随机过程;环是由DNA的热运动和细胞环境的其他波动引起的。我们提出了单分子测量的DNA环的形成和崩溃时，施加一个人工波动的力量，模仿波动的细胞环境，施加在DNA上。我们表明，环的形成大大增强噪音的存在下，只有一小部分的$k_B T$，但发现假设的监管计划，采用机械张力的DNA-作为一个敏感的开关，以控制转录-可以令人惊讶的强大，由于偶然取消噪音的影响。
2010-04-21 q-bio.BM
Spectroscopic approaches for studies of site-specific DNA base and backbone "breathing" using exciton-coupled dimer-labeled DNA
本文综述了利用激子耦合二聚体标记DNA的光谱方法，在系综和单分子水平上研究蛋白质-DNA相互作用关键位点处DNA骨架与碱基的局部构象动态，为揭示蛋白质结合与功能机制提供工具。
2024-03-27 physics.bio-ph q-bio.BM
Facilitated diffusion on confined DNA
在活细胞中，蛋白质结合了3D体扩散和沿着DNA的1D滑动，以更快地到达目标。这个过程被称为促进扩散，我们调查其动力学在生理相关的情况下，限制DNA。的限制几何形状和DNA的弹性是关键参数：我们发现，促进扩散是最有效的各向同性的体积内，并在一个灵活的聚合物。通过考虑体内蛋白质的典型拷贝数，我们表明，由于滑动的加速变得不敏感的微调参数，使促进扩散一个强大的机制，以加快细胞内扩散限制反应。我们关注的参数范围与体外系统和酵母染色质上的易化扩散有关。
2012-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
