Physical Constraints and Functional Characteristics of Transcription Factor-DNA Interaction
我们研究了细菌中转录因子-DNA相互作用的理论“设计原理”，特别关注转录因子（TF）与基因组背景（即，没有靶位点的基因组）。我们引入并激发了“可编程性”的概念，即仅仅通过突变靶位点的结合序列来在宽范围内设置TF结合的阈值浓度的能力。这一功能需求，连同TF-DNA相互作用的热力学和动力学所产生的物理约束，使我们的“最佳”相互作用参数的范围很窄。我们发现，这个参数集与一些示例性原核TF的相互作用参数的实验数据吻合得很好。这表明TF-DNA相互作用确实是可编程的。我们建议进一步的实验来测试这是否是一个大类TF的一般功能。
2002-09-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Theoretical model of transcription based on torsional mechanics of DNA template
转录是基因表达的第一步，其中特定的DNA片段通过RNA聚合酶（RNAP）复制为RNA。尽管DNA和RNA合成之间的复杂相互作用的许多细节在实验中被揭示，但转录的许多物理行为仍然是未知的。理解DNA和RNAP及其新生RNA和RNA结合蛋白在转录中的扭转力学可能是破译基因表达机制的第一步。基于RNA合成过程中的粘滞阻力与超螺旋DNA模板产生的扭矩之间的平衡，提出了一个简单的模型来描述转录过程中的力学性质。利用该模型，详细讨论了未转录DNA模板的旋转和超螺旋密度。两个特殊的情况下，转录被认为是，转录与恒定速度和转录与扭矩依赖的速度。我们的研究结果表明，在转录的初始阶段，旋转起源于DNA模板的转录部分主要是通过RNAP合成的旋转释放。在中间阶段，旋转通常由DNA模板的非转录部分的超螺旋和RNAP合成的旋转释放，比例取决于环境中的摩擦系数和新生RNA的长度。然而，随着未转录的DNA模板的扭曲接近上限，由转录引起的旋转将主要通过RNAP合成的旋转来释放。
2018-09-13 physics.bio-ph q-bio.SC
DNA looping in gene regulation: from the assembly of macromolecular complexes to the control of transcriptional noise
由结合在远端DNA位点的蛋白质和蛋白质复合物形成的DNA环在许多细胞过程中起中心作用，例如转录、重组和复制。在这里，我们回顾了基本的热力学概念的大分子复合物的组装成环的DNA和这个过程中的基因调控的性能的影响。除了传统观点认为DNA成环是一种增加调控分子对其同源位点亲和力的机制之外，最近的发展表明DNA成环还可以导致细胞间变异性的抑制、转录噪音的控制以及按需激活合作相互作用。
2005-02-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
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
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
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
Non-specific DNA-protein interaction: Why proteins can diffuse along DNA
DNA结合蛋白的结构使其能够与DNA上的特定靶位点发生强相互作用。然而，最近的单分子实验报道，蛋白质可以在DNA上扩散。这表明蛋白质和DNA之间的相互作用在目标搜索过程中发挥作用，即使远离特定位点。目前还不清楚这些非特异性相互作用如何优化搜索过程，以及蛋白质结构如何发挥作用。每个核苷酸都带负电荷，人们可能会认为DNA-BP的正表面应该静电塌陷到DNA上。在这里，我们通过蒙特卡罗模拟和分析计算表明，在纳米范围内存在两个相反电荷的大分子之间的反直觉排斥。我们还表明，这种排斥是由于被困在界面处的离子所施加的渗透压的局部增加。对于DNA-BPs的凹形状，以及对于现实的蛋白质电荷密度，我们发现排斥力在距离DNA一定距离处将蛋白质推到自由能最小值。因此，存在一条有利的路径，蛋白质可以沿着该路径滑动而不与DNA碱基相互作用。当蛋白质遇到其靶时，渗透屏障被氢键相互作用完全抵消，从而使序列识别成为可能。
2009-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
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
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
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
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
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
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
A mini-review of the diffusion dynamics of DNA-binding proteins: Experiments and models
在各种生物过程中，特异性DNA结合蛋白必须有效地找到特定的靶序列/蛋白或DNA上的损伤位点。DNA结合蛋白基于扩散执行此任务。然而，近几十年来的研究发现，DNA结合蛋白的扩散动力学通常是复杂的，而且是蛋白质特异性的。在这篇综述中，我们收集的实验和理论研究，量化的DNA结合蛋白质的扩散动力学和审查他们从扩散过程的观点。
2020-10-31 physics.bio-ph
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
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
On the ion-mediated interaction between protein and DNA
允许蛋白质搜索DNA上的靶序列的机制目前被描述为由本体中的3D扩散和沿着DNA分子的1D扩散组成的间歇过程。由于蛋白质和DNA的相关电荷，静电相互作用在这一搜索过程中应发挥至关重要的作用。在本文中，我们明确地推导出平均场论允许在溶液中的蛋白质-DNA静电的描述。这种方法导致一个统一的模型的搜索过程中，1D和3D扩散出现作为一个自然的结果扩散的扩展的相互作用能量分布。
2013-11-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
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
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 electrostatics: toward a new paradigm for protein sliding
基因的表达和调控依赖于一些蛋白质和DNA之间的一系列明显微调的反应。这种DNA结合蛋白必须在很长的DNA分子上找到特定的序列，而且它们大多在没有任何活性过程的情况下这样做。人们已经迅速认识到，为了实现这一任务，这些蛋白质应该在搜索（即快速采样DNA的相关部分）和发现（即识别特定位点）方面都是有效的。自70年代以来，双模式搜索及其变体一直被提出来解释快速搜索或有效识别。然而，在现象学水平上将这两种性质结合起来更为困难，因为它们似乎具有拮抗剂作用。为了克服这个困难，人们可能只需要放弃双模式搜索固有的二分观点，并更彻底地研究DNA结合蛋白与特定或非特异性DNA片段之间的相互作用。这一章表明，在一个非常通用的方式这样做，人们确实可能会发现一个潜在的协调之间的快速搜索和有效的识别。尽管还有很多工作要做，但现在可能是改变模式的时候了
2013-11-29 cond-mat.soft 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
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
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
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
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
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
Dynamical model of DNA-protein interaction: effect of protein charge distribution and mechanical properties
我们最近提出的用于研究非特异性DNA-蛋白质相互作用的基于珠子和弹簧的力学模型[J. Chem. Phys. 130，015103（2009）]通过将蛋白质描述为相互连接的珠子组而不是单个珠子而得到改进。在本文中，我们首先比较与更新后的模型与原来的模型所得到的结果，然后用它来调查的DNA采样的动力学，这不能占原来的模型的几个方面。这些方面包括蛋白质电荷分布的规律性和/或随机性、搜索位点的电荷和位置以及蛋白质的形状和可变形性对DNA采样速度的影响。我们还讨论了促进扩散的效率，也就是说，在何种程度上沿DNA和3D扩散在细胞中的一维滑动的组合可以导致更快的采样比纯3D扩散的蛋白质。
2009-08-12 physics.bio-ph
Facilitation of DNA loop formation by protein-DNA non-specific interactions
复杂的DNA拓扑结构，包括聚合物环，经常被观察到在生物过程中，当蛋白质分子同时结合到DNA上的几个遥远的位点。然而，这些系统的形成的分子机制仍然没有很好地理解。现有的理论研究仅关注蛋白质和DNA分子在靶序列处的特异性相互作用。然而，初级蛋白质-DNA相互作用的静电起源表明，蛋白质与所有DNA片段的相互作用应予以考虑。在这里，我们从理论上研究蛋白质和DNA分子之间的非特异性相互作用对环形成动力学的作用。我们的方法是基于分析一个离散状态的随机模型，通过首次通过概率的方法辅以蒙特卡洛计算机模拟。据发现，取决于蛋白质的滑动长度在非特异性结合事件的DNA环形成的三个不同的动态制度可能会被观察到。此外，环形成时间可以通过改变蛋白质滑动长度、DNA分子的大小和特定靶序列在DNA上的位置来优化。我们的研究结果表明，非特异性蛋白质-DNA相互作用的DNA环形成的动力学的重要性。还提出了几个定量的预测，可以通过实验测试。
2019-01-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Organization of the bacterial nucleoid by DNA-bridging proteins and globular crowders
本研究通过粗粒化模型和布朗动力学模拟，揭示了DNA桥联蛋白与球状拥挤剂协同压缩细菌拟核，且蛋白自缔合能力决定拟核呈液态或凝胶态。
2023-11-10 physics.bio-ph
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
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
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
Entropic elasticity of DNA with a permanent kink
许多蛋白质与细胞中的双链DNA相互作用并使其变形。单分子实验已经研究了DNA与螺旋变形蛋白质的弹性，包括弯曲DNA的蛋白质。这些实验增加了对包括螺旋变形蛋白质在内的DNA弹性理论的需求。以前关于弯曲DNA的理论工作已经研究了具有许多非特异性结合蛋白的长DNA分子。然而，最近的实验使用相对较短的DNA分子，具有单一的，明确定义的弯曲位点。在这里，我们开发一个简单的理论描述的影响，一个单一的弯曲。然后，我们包括在有限蠕虫状链模型（FWLC）的短DNA分子连接到珠的弯曲的描述。我们预测如何DNA力的延伸关系的变化，由于形成一个单一的永久性扭结，在所有值的施加拉伸力。我们的预测表明，高分辨率的单分子实验可以确定蛋白质结合时诱导的弯曲角。
2006-07-28 physics.bio-ph
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
The self-referring DNA and protein: a remark on physical and geometrical aspects
所有已知的生命形式都是基于一个相互交织的反馈回路的层次结构，在空间，时间和能量尺度的级联上运行。最基本的环是连接DNA和蛋白质的环。例如，在遗传网络中，DNA基因以蛋白质的形式表达，这些蛋白质可以与相同的基因结合，从而控制它们自己的表达。在这种分子类型的自我参照中，信息从DNA序列映射到蛋白质，再映射回DNA。存在多种动态DNA-蛋白质自参照环，本文的目的是讨论与DNA和蛋白质之间的来回映射有关的某些几何和物理方面。讨论提出了关于DNA和蛋白质作为自指物质的性质的基本问题，这些问题在一个简单的玩具模型中进行了研究。
2018-04-12 physics.bio-ph q-bio.OT
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
Looping and Clustering model for the organization of protein-DNA complexes on the bacterial genome
细菌基因组由各种相关蛋白质组成，称为类核。这些蛋白质可以在DNA上形成复合物，在包括染色体分离在内的各种生物过程中发挥核心作用。一个突出的例子是大型ParB-DNA复合物，它是许多细菌分离机制的重要组成部分。ChIP-Seq实验表明，ParB蛋白定位在ParB特异性结合的DNA上的着丝粒样parS位点周围，并从那里扩散到染色体的大部分。最近的理论和实验研究表明，DNA结合的ParB蛋白可以相互作用，在DNA上凝聚成一个连贯的3D复合物。然而，这种蛋白质-DNA复合物的结构组织仍然不清楚，并且缺乏ParB蛋白在DNA上分布的预测定量理论。在这里，我们提出了循环和聚类（LC）模型，它采用统计物理方法来描述蛋白质-DNA复合物。LC模型解释了DNA环从一簇相互作用的DNA结合蛋白质中的挤出。从概念上讲，蛋白质-DNA复合物的结构是由有吸引力的蛋白质相互作用与该蛋白质-DNA簇的构型熵和环熵之间的竞争决定的。事实上，我们表明，蛋白质的相互作用强度决定了“紧密性”的环状蛋白质-DNA复合物。通过这种方法，我们考虑这样的蛋白质-DNA簇围绕一个单一的高亲和力结合位点的基因组组织。因此，我们的模型提供了一个理论框架，定量计算周围的同源（parS）结合位点的ParB样蛋白的结合曲线。
2017-12-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
How does a protein reach its binding locus: sliding along DNA chain or not?
在基因表达过程中，各种蛋白质需要与DNA的特定位点结合。目前还不清楚这些蛋白质是如何找到它们的靶位点的。利用链-空间耦合模型讨论了蛋白质与DNA链上靶位点结合的平均首次通过时间。结果表明，一维扩散常数存在一个临界值，在此临界值下，蛋白质找到目标位点所需的平均时间几乎与蛋白质与DNA链的结合率和蛋白质与DNA链的脱离率无关。这意味着，蛋白质与DNA结合的频率和在DNA链上的滑动时间对搜索效率的影响很小，因此DNA链上的一维滑动是否提高搜索效率取决于蛋白质在DNA链上的一维扩散常数.本研究还发现，只有与目标基因座接近的DNA位点结合的蛋白质才有助于提高搜索效率，而与远离目标基因座的DNA位点结合的蛋白质可能会延迟目标结合过程。正如预期的那样，平均FPT随着蛋白质在细胞空间中的初始位置与其在DNA链上的靶位点之间的距离而增加。计算了直接结合概率，该概率可作为描述沿DNA链的一维滑动是否有助于提高搜索效率的一个指标。我们的结果表明，一维滑动对搜索过程的影响既取决于蛋白质在细胞空间中的扩散常数，也取决于一维DNA链。
2016-06-17 physics.bio-ph q-bio.SC
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
Equilibration of complexes of DNA and H-NS proteins on charged surfaces: A coarse-grained model point of view
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。虽然它是通过在DNA双链体之间形成桥梁而在基因组组织中发挥关键作用，但DNA和H-NS蛋白复合物的精确结构仍然没有得到很好的理解。特别是，目前还不清楚是否在活细胞中的DNA/H-NS复合物的结构是类似的复合物沉积在云母表面，这可以通过AFM显微镜观察。一个粗粒度的模型，这有助于更深入地了解这个问题，在本文中描述和分析。该模型能够描述H-NS在本体中对细菌DNA的桥接以及复合物在带电表面上的沉积和平衡。与该模型进行的模拟表明，DNA和带电表面之间的轻微吸引力足以让DNA/H-NS复合物重组从三维线圈的平面质粒桥接的H-NS蛋白类似于通过AFM显微镜观察到的。他们还强调了DNA和表面之间相互作用的拮抗作用。事实上，增加这些相互作用减慢了裸质粒在表面上的平衡，但另一方面，使DNA/H-NS复合物的平衡更快。根据H-NS桥的寿命分布和反式结合蛋白质二聚体数目随时间的变化规律，认为随着DNA与表面相互作用强度的增加，H-NS桥的平衡时间缩短是由于DNA与蛋白质之间形成新桥的概率降低所致.
2014-09-22 physics.bio-ph
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
Facilitated diffusion of DNA-binding proteins: Efficient simulation with the method of excess collisions (MEC)
在本文中，一种新的方法来有效地模拟扩散控制的二级化学反应的推导和应用于特定位点的DNA结合蛋白质。蛋白质进入球形细胞并通过两种竞争模式（自由扩散和DNA滑动模式）进行传播，以在细胞中心寻找其特异性结合位点。没有必要对这个过程进行直接的模拟。相反，一种替代和精确的方法被证明是基本上比显式随机游走模拟更快。这种新的仿真技术的速度正在迅速增长的系统规模。
2005-10-15 physics.bio-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
Facilitated diffusion of DNA-binding proteins
扩散控制的限制，反应时间的位点特异性DNA结合蛋白质是来自第一原则。我们遵循普遍接受的概念，即蛋白质通过两种竞争模式进行传播，即空间中的三维扩散和沿DNA的一维滑动。然而，我们对这个问题的理论处理是新的。我们的分析模型的准确性进行了验证，通过数值模拟。结果证实，蛋白质与DNA的非特异性结合，结合滑动，能够显着减少反应时间。
2005-11-22 physics.bio-ph physics.comp-ph
