Structurally specific thermal fluctuations identify functional sites for DNA transcription
我们报告的结果表明，热诱导的双链DNA的开口与功能相关的转录位点的位置相一致。研究病毒和细菌DNA基因启动子片段，我们发现最可能的开放发生在转录起始位点。较小的开口似乎与其他监管场所有关。我们的研究结果表明，相干的热波动在转录的启动中起着重要的作用。动力学的基本要素，除了序列特异性，是非线性和熵，由本地碱基对的约束。
2003-09-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.GN
Decreasing nuclear volume concentrates DNA and enforces transcription factor-chromatin associations during Zebrafish genome activation
合子基因组激活（Zygotic genome activation，ZGA）是斑马鱼胚胎在细胞分裂10次后，在最初的静止期后开始转录的过程，是许多物种发育过程中的一个重要步骤。转录因子-染色质相互作用在早期发育过程中如何演变以支持ZGA在很大程度上是未知的。我们建立了单分子跟踪活发育斑马鱼胚胎使用反射光片显微镜可视化的一般转录因子TATA结合蛋白（TBP），并开发了一种新的数据采集和分析方案，以提取在快速细胞周期的动力学信息。TBP的染色质结合部分在早期发育过程中增加，与增加的转录活性相容。通过量化TBP和DNA浓度及其结合动力学，我们设计了一个物理模型，说明在早期发育过程中减少的核体积如何增强TBP-染色质协会。我们的单分子数据表明，缩小的细胞核是斑马鱼胚胎中ZGA的主要驱动力和计时器。
2017-10-10 physics.bio-ph
Predicting Transcription Factor Specificity with All-Atom Models
转录因子（TF）与DNA操纵子位点的结合可以启动或抑制基因的表达。传统上，TF识别的位点的计算预测依赖于几个同源位点的知识，而不是从头开始的方法。在这里，我们研究了使用基于结构的能量计算的可能性，不需要结合位点的知识，而是从蛋白质-DNA复合物的结构开始。我们研究了PurRE。大肠杆菌TF，并探讨在何种程度上原子模型的蛋白质-DNA复合物可以用来区分同源和非同源DNA位点。特别强调的是，这种方法的系统评价，通过比较其性能与生物信息学方法，通过测试它对随机诱饵和网站的同源TF。我们还研究了DNA和蛋白质中的一组实验突变。使用我们明确的能量估计，我们表明，PurR的特异性主要是由直接的蛋白质-DNA相互作用，弱的DNA弯曲的影响。
2008-09-24 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Comment on "Can one predict DNA Transcription Start Sites by Studying Bubbles?"
关于T. S van Erp，S. Cuesta-Lopez，J. G. Hagmann和M. Peyrard，Phys. Rev. Lett. 95，218104（2005）[arXiv：physics/0508094].
2005-12-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Transcription-driven DNA Supercoiling: Non-Equilibrium Dynamics and Action-at-a-distance
本文通过单核苷酸分辨率粗粒化模型的布朗动力学模拟，研究转录对DNA超螺旋动力学的影响，发现转录产生的双超螺旋结构域具有不对称性，并导致对DNA结合蛋白的“超距作用”，同时揭示了扭曲扩散与扭曲弛豫之间存在显著的时间尺度分离。
2019-06-07 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
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
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
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
Modulation of DNA rheology by a transcription factor that forms aging microgels
Centre for Regenerative Medicine, Institute for Regeneration and Repair（再生医学中心，再生与修复研究所）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Institute for Stem Cell Research, School of Biological Sciences, University of Edinburgh（爱丁堡大学生物科学学院干细胞研究所）；School of Molecular Biosciences, University of Glasgow（格拉斯哥大学生物分子科学学院）；MRC Human Genetics Unit, Institute of Genetics and Cancer, University of Edinburgh（爱丁堡大学生物遗传与癌症研究所人类遗传学单元）
研究发现转录因子NANOG通过形成衰老微凝胶结构调节DNA流变学，从而影响基因表达的非传统方式。
2025-12-02 cond-mat.other cond-mat.soft physics.bio-ph
Can one predict DNA Transcription Start Sites by studying bubbles?
据推测，由于热波动而形成的几个碱基对的气泡是生物活性位点的指示。最近的证据，基于实验和分子动力学（MD）模拟使用Peyrard-Bishop-Dauxois模型，似乎指向这个方向。然而，足够大的气泡很少出现，这使得即使对于极小模型也难以精确计算。在这封信中，我们介绍了一种新的方法，是数量级快于MD。使用这种方法，我们表明，目前的证据是未经证实的。
2005-11-07 physics.bio-ph physics.comp-ph
A stochastic model of supercoiling-dependent transcription
我们提出了一个随机模型耦合到DNA超螺旋的基因转录，在那里我们将实验观察聚合酶创建超螺旋，因为他们解开DNA螺旋，这些酶结合更有利的基因组解开的地区。在这个模型中，我们表明，当转录诱导的超螺旋通量增加时，有一个急剧的交叉，从一个政权，扭转应力迅速放松和基因转录是随机的，一个基因表达是高度相关的，并严格受超螺旋调控。在后一种情况下，该模型显示转录爆发，超螺旋波，和上调的分歧或双向基因。它还预测，拓扑酶放松扭曲和扭动应该提供一个途径，下调转录。这篇文章发表在Physical Review Letters，2016年5月。
2018-04-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
From the double-stranded helix to the chiral nematic phase of B-DNA: a molecular model
合适浓度的B-DNA溶液形成左手手性相（胆甾相）。在其他刚性或半柔性手性聚合物的溶液中也观察到这种相;手性螺距的大小和手性与分子特征唯一相关。在这项工作中，我们提出了一种理论方法和数值计算程序，从聚电解质的结构，导致的预测的螺旋桨间距。分子表达式的自由能系统的基础上获得的空间和静电聚合物之间的相互作用;前者被描述在排除体积，而平均场近似用于后者。计算了130 bp的B-DNA片段。理论预测提供了一个解释的实验行为，通过显示的抵消作用所发挥的形状和电荷手性的分子。
2004-11-22 physics.bio-ph q-bio.BM
Twin Supercoil Domain couples the dynamics of molecular motors and plectonemes during bacterial DNA transcription and replication
Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, CNRS and Université Grenoble Alpes（跨学科物理实验室，法国国家科学研究中心与格勒诺布尔阿尔卑斯大学）
本研究利用粗粒化建模和布朗动力学模拟，揭示了 Twin Supercoiled Domain (TSD) 如何通过刺激 plectoneme 的自发位移模式，调控细菌 DNA 转录和复制中分子马达与 plectoneme 的耦合动力学。
2025-11-03 physics.bio-ph
Real sequence effects on the search dynamics of transcription factors on DNA
最近的实验表明，转录因子（TF）确实使用易化扩散机制在活细菌细胞中的DNA上定位其靶序列：TF在沿着DNA的滑动运动和通过细胞质的重新定位事件之间交替。通过模拟和理论分析，我们研究了普通大肠杆菌DNA序列的大片段TF滑动运动。大肠杆菌菌株，基于具有快速滑动搜索状态和使目标检测成为可能的识别状态的两状态TF模型。对于在从DNA解离之前检测到靶的概率，TF搜索时间自洽地严重依赖于辅助算子（与主算子类似的可接近序列）是否存在于基因组部分中。重要的是，在我们的模型中，搜索和识别状态之间的相互转换率取决于潜在的核苷酸序列的程度是不同的。适度的依赖性最大化区分主算子和相似序列的能力。此外，这些辅助操作符作为起始点与主操作符的DNA循环，产生跨越几个数量级的目标检测时间的频谱。辅助运营商作为漏斗，方便目标检测TF。
2015-07-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
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
Transcriptional bursts in a non-equilibrium model for gene regulation by supercoiling
我们分析了一个随机的非平衡模型，占DNA超螺旋和基因转录的动力学之间的耦合内的转录爆发。当转录起始和超螺旋耗散的时间尺度之间存在分离时，我们发现爆发式转录的明确签名-后者可能是扩散性的或由拓扑酶介导的，如I型或II型拓扑异构酶。在多基因DNA结构域中，我们观察到爆发式转录或转录波;可以通过控制基因活性和方向来选择行为类型。在爆发阶段，在启动子的超螺旋波动的统计是显着的非高斯。
2019-04-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Energetic funnel facilitates facilitated diffusion
转录因子能够比扩散造成的物理限制更快地与它们在DNA上的结合位点结合。如此高的结合率可以通过沿着DNA链的三维扩散和一维滑动之间的交替来实现，这种机制被称为促进扩散。通过研究来自RegulonDB数据库的大肠杆菌和来自DBTBS的枯草芽孢杆菌的转录因子结合位点的集合，我们揭示了靶序列周围结合能景观中的漏斗。我们表明，这样的漏斗是链接到存在的梯度AT在碱基组合物中的DNA区域周围的结合位点。一个广泛的计算研究的随机滑动过程沿充满活力的景观从数据库中获得的漏斗可以显着提高的概率转录因子，以找到它们的靶序列时，在其附近滑动。我们证明，这种增强导致的关联过程的速度加快。
2017-12-06 physics.bio-ph q-bio.BM
Classes of fast and specific search mechanisms for proteins on DNA
搜索和识别问题出现在不同的尺度上的生物系统。在这篇综述中，我们专注于蛋白质，特别是转录因子，和DNA之间的相互作用所带来的挑战和可能的机制，允许一个快速和选择性的目标定位。最初，我们认为，DNA结合蛋白可以分类，广义上，分为三个不同的类，我们说明使用实验数据。每一类要求一个不同的搜索过程，我们讨论了可能的应用程序，多年来提出的不同的搜索机制，每一类。这次审查的主旨是建立一个基于障碍歧视的新机制。我们介绍了该模型，并详细分析了其后果。它表明，这种机制适用于所有类别的转录因子，并可以导致一个快速和具体的搜索。此外，它表明，该机制具有有趣的瞬态功能，允许在目标的稳定性，尽管快速结合和解结合的转录因子从目标。
2011-04-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Spatial and topological organization of DNA chains induced by gene co-localization
转录活性已被证明与真核细胞核和细菌类核中染色体的组织有关。特别是，高度转录的基因、RNA聚合酶和转录因子聚集成离散的空间焦点，称为转录工厂。然而，这些病灶的形成机制和由此产生的染色体拓扑顺序仍有待阐明。在这里，我们考虑一个基于染色体蠕虫状链模型的热力学框架，其中沿着DNA的稀疏指定位点只要在空间上靠近就能够相互作用。这是由于反复出现的证据表明，共同运作的基因之间存在物理相互作用。从这个简单的框架中得出了三个重要的结果。首先，转录焦点的形成可以被看作是相互作用位点与DNA其余部分的微相分离。在这方面，热力学分析表明，转录因子是适当的候选人介导的基因之间的物理相互作用。接下来，聚合物的数值模拟揭示了与不同拓扑有序相关联的丰富多样的相，每个相都提供了一种增加相互作用位点的局部浓度的方法。最后，数值结果表明，一维聚类和周期性的位置沿DNA的结合位点，这已被观察到在几种生物，使多个家庭的基因的空间协同定位特别有效。
2010-05-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.GN
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
The style of genetic computing
细胞接收各种各样的细胞和环境信号，这些信号必须组合处理以产生特异性和及时的遗传反应。我们在这里提出了一个理论研究的组合控制和整合的转录信号，发现顺式调控系统与特定的蛋白质-DNA相互作用和胶样蛋白质-蛋白质相互作用，辅以远端激活或阻遏机制，有能力执行广泛的控制功能编码的调控DNA序列。使用一个定量模型的基础上，充分表征的细菌转录系统，我们明确地显示了各种监管逻辑功能可以实现，通过选择的强度和相对位置的相关蛋白质结合的DNA序列的顺式调控区。出现的架构自然是模块化的，并且具有高度的可演化性。我们的研究结果表明，转录调控装置是一个“可编程”的计算机，属于正式的玻尔兹曼机类。我们还暴露了细菌转录系统的关键缺点，这限制了全基因组采用复杂的转录控制方案，并讨论了它们如何被真核转录系统克服。
2003-01-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Driving denaturation: Nanoscale thermal transport as a probe of DNA melting
DNA变性由于其与DNA转录的关系及其作为非线性结构转变的基本重要性而长期以来一直是深入研究的主题。然而，对这一现象的许多方面仍然知之甚少。现有的模型拟合得很好，与实验结果的分数与温度的未结合的碱基对。然而，这些相同的模型对其他基本量给出了不正确的结果。例如，预测的碱基对波动时间尺度-与转录相关-与实验观察到的数量级不同。在这里，我们表明，纳米级的热传输可以作为一个敏感的探针的基本微观机制负责的动态DNA变性。具体来说，我们表明，DNA的热传输特性发生显着和突然改变，因为它变性，这种改变编码的详细信息的动力学的热波动及其相互作用沿链。这一发现允许明确区分DNA变性模型。因此，测量热导率将使人们对这种重要分子的性质有新的了解。
2011-05-18 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Beyond position weight matrices: nucleotide correlations in transcription factor binding sites and their description
基因组DNA上转录因子结合位点（TFBS）的识别对于理解和预测基因网络中的调控元件具有重要意义。TFBS基序通常由位置权重矩阵（PWMs）描述，其中每个DNA碱基对独立地有助于转录因子（TF）结合，尽管越来越多的证据表明碱基对位置之间的相互依赖性。最近关于TF结合DNA区域的全基因组数据的可用性提供了重新详细讨论TF结合{ \em in vivo}的这个问题的可能性。在这里，我们使用了可用的苍蝇和小鼠ChIPseq数据，并表明独立模型通常不会重现TFBS的观察统计数据，从而概括了以前的观察结果。我们进一步表明，TFBS的描述和可预测性可以系统地提高考虑成对相关性的TFBS通过最大熵的原则。由此产生的成对相互作用模型是正式等效的无序波茨模型的统计力学，它概括了以前的方法相互依赖的位置。它的结构允许两个或更多个碱基对的共变异，以及二级基序。虽然模型组成的混合物的PWM也有这最后一个功能，我们表明，成对的相互作用模型优于它们。显着的成对相互作用被发现是稀疏的，并发现占主导地位的连续碱基对之间。最后，使用一个成对的相互作用模型的识别TFBS的显示给显着不同的预测比一个模型的基础上独立的位置。
2013-02-18 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.GN
Dynamical phase transition of a periodically driven DNA
复制和转录是生命系统中的两个重要过程。为了执行这样的过程，各种蛋白质以交错的方式远离平衡地工作。受此启发，在非平衡条件下的周期性驱动下的DNA解压缩过程中的滞后方面进行了研究。提出了一个驱动DNA的稳态相图，这是实验验证。作为一个两态系统，我们还比较了DNA和Ising磁体在非对称变化的磁场下的结果。
2013-02-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modelling chromosome-wide target search
本文提出跨尺度计算框架结合促进扩散与网络模型，利用Hi-C数据及百种转录因子结合谱，发现染色体3D结构能引导转录因子至相关DNA区域以优化搜索时间。
2022-11-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
