Mechanisms of Protein Search for Targets on DNA: Theoretical Insights
蛋白质-DNA相互作用对于所有自然系统的成功运作至关重要。在这些相互作用中，蛋白质搜索DNA上特定位点的过程起着关键作用。虽然已经研究了很多年，但直到最近，这些过程的微观方面才变得更加清晰。在这项工作中，我们提出了目前的理论理解的蛋白质靶点搜索的分子机制。一个全面的离散状态随机方法来解释蛋白质搜索现象的动力学介绍和解释。我们的理论方法利用了首次通过分析，并考虑了最相关的物理化学过程。它能够描述蛋白质搜索的许多迷人的特征，包括异常高的有效关联率，高选择性和特异性，以及在拥挤和序列异质性存在下的鲁棒性。
2018-08-03 q-bio.SC
Protein search for multiple targets on DNA
蛋白质-DNA相互作用对于所有生物过程至关重要。这些相互作用的最重要的基本方面之一是蛋白质搜索和识别DNA上特定结合位点的过程。大量的实验和理论研究致力于揭示这些现象的分子描述，但蛋白质搜索DNA靶点的机制的许多方面仍然没有得到很好的理解。最有趣的问题之一是多个目标在蛋白质搜索动力学中的作用。使用最近开发的理论框架，我们详细分析了这个问题。我们的方法是基于一个离散状态的随机方法，考虑到最相关的物理化学过程，并导致充分的分析描述的所有动态特性。具体而言，具有两个和三个目标的系统已被明确研究。结果发现，在大多数情况下，多个目标加速搜索相比，一个单一的目标的情况。然而，加速度并不总是与目标的数量成正比。令人惊讶的是，甚至有这样的情况，与单个目标相比，找到多个目标中的一个需要更长的时间。它取决于目标的空间位置，它们之间的距离，DNA上蛋白质分子的平均扫描长度以及总DNA长度。物理化学的解释所观察到的结果。我们的预测与实验观察，以及从连续理论的蛋白质搜索的结果进行了比较。大量的Monte Carlo计算机模拟完全支持我们的理论计算。
2015-08-03 q-bio.SC
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
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
Single-molecule observation of DNA replication repair pathways in E. coli
许多抗生素的作用方法是干扰DNA复制-喹诺酮类药物将DNA促旋酶和拓扑异构酶蛋白捕获到DNA上，而甲硝唑导致DNA单链和双链断裂。为了了解细菌对这些药物的反应，重要的是要了解DNA复制受阻时所使用的修复过程。我们已经使用插入到染色体中的串联lac操纵子，其与荧光标记的lac阻遏物结合，作为在E.杆菌我们已经使用双色，交替激光，单分子窄场显微镜定量的操作员在块的量，同时图像荧光标记的DNA聚合酶。我们期望使用这个系统作为一个定量平台，研究复制停滞和修复蛋白。
2016-05-25 q-bio.SC
The Effect of Obstacles in Multi-Site Protein Target Search with DNA Looping
许多基本的生物学过程由称为{ \it突触体}的蛋白质-DNA复合物调节，其具有多个相互作用位点。尽管突触体至关重要，但其形成机制仍不清楚。由于参与蛋白质的多位点性质，人们普遍认为它们对DNA上特定位点的搜索涉及DNA环的形成和断裂以及在环构型中的滑动。事实上，活细胞中的DNA被其他生物分子密集地覆盖，这些分子可能会干扰突触体的形成。在这项工作中，我们开发了一种理论方法来评估障碍物在多位点蛋白质的目标搜索中的作用，当DNA环的形成和在环状构型中的滑动是可能的。我们的理论方法是基于分析的离散状态随机模型，使用主方程的方法和广泛的计算机模拟。研究发现，当DNA环是长寿命的时，障碍物减慢了系统中的搜索动力学，但对于短寿命的DNA环，影响很小。此外，目标和障碍物的相对位置强烈影响目标搜索动力学。此外，障碍物的存在可能增加系统中的噪声。这些意见进行了讨论，使用物理化学参数。我们的理论方法阐明了具有多个相互作用位点的蛋白质-DNA复合物形成的分子机制。
2019-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
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
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
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
On the Mechanism of Homology Search by RecA Protein Filaments
遗传稳定性是生物细胞维持、存活和繁殖的关键因素。它依赖于许多过程，但最重要的过程之一是{ \it同源重组}，其中双链DNA分子中断裂的修复在几种特定蛋白质的帮助下发生。在细菌中，这一任务是由RecA蛋白完成的，RecA蛋白作为DNA单链片段上形成的核蛋白丝而具有活性。同源重组中的关键步骤是搜索DNA上相应的同源区域，这被称为{ \it同源搜索}。最近的单分子实验阐明了这一过程的某些方面，但其分子机制仍然没有很好地理解。我们开发了一种定量的理论方法来分析同源搜索。它是基于一个离散状态的随机模型，考虑到系统中最相关的物理化学过程。利用首次通过过程的方法，给出了同源搜索的完整动态描述。结果发现，搜索动力学依赖于DNA分子的延伸程度和RecA核蛋白丝的大小，与RecA蛋白的DNA配对的实验单分子测量一致。我们的理论计算，支持广泛的Monte Carlo计算机模拟，提供了一个分子的同源性搜索的机制描述。
2016-11-13 q-bio.SC
Modelling Protein Target-Search in Human Chromosomes
当关键蛋白质识别并结合短DNA序列时，细胞中的几个过程，如基因调控，就开始了。然而，由于这些序列可能比基因组短数亿倍，因此很难通过简单的扩散找到它们：扩散限制的结合率可能会低估$in~vitro$测量值达几个数量级。此外，如果DNA是卷曲的而不是直的，则速率增加。在这里，我们模拟了$in~vivo$在哺乳动物细胞中的工作原理。我们使用染色质染色质接触数据从国家的最先进的Hi-C实验映射到网络问题的蛋白质目标搜索。节点表示DNA片段，并且链接的权重与测量的接触概率成比例。然后，我们提出了一个主方程的密度搜索蛋白质，使我们能够计算整个基因组的关联率分析。对于比率高的片段，我们发现它们富含活性基因并且具有高RNA表达水平。本文提出，DNA的三维构象是重要的蛋白质搜索时间$in~vivo$，并提供了一种方法来解释蛋白质结合的档案，在真核生物中，不能解释的DNA序列本身。
2019-09-19 physics.bio-ph q-bio.SC
Many-body effects in tracer particle diffusion with applications for single-protein dynamics on DNA
E.大肠杆菌被蛋白质覆盖。这种高度拥挤影响了一般生物过程的动力学（例如基因调节、DNA修复、蛋白质扩散等）。以一种尚未被完全理解的方式。本文从理论上讨论了示踪粒子在被不可穿透的拥挤粒子包围的一维系统中的扩散常数。虽然示踪粒子总是停留在晶格上，但拥挤粒子可能会与周围的块体解除绑定，并在另一个或相同的位置重新绑定。在这种情况下，我们确定长时间扩散常数${\cal D}$（在许多解结合事件之后）如何取决于（i）拥挤粒子的解结合速率$k_{\rm off}$和（ii）拥挤粒子线密度$ρ$，来自模拟（Gillespie算法）和分析计算。对于小$k_{\rm off}$，我们发现${\cal D}\sim k_{\rm off}/ρ^2$时，拥挤的粒子是固定的线上，和${\cal D}\sim \sqrt{D k_{\rm off}}/ρ$时，他们扩散; $D$是自由粒子扩散常数。对于大的$k_{\rm off}$，我们发现协议与平均场的结果不依赖于$k_{\rm off}$。从文献值的$k_{\rm off}$和$D$，我们表明，小的$k_{\rm off}$限制是相关的在拥挤的DNA在体内蛋白质扩散。我们的结果适用于单分子跟踪实验。
2015-02-07 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Protein-DNA Co-condensation is Prewetting to a Collapsed Polymer
本文提出DNA长链聚合物与蛋白质混合物耦合可产生广义预润湿转变，使聚合物塌缩与局部液滴稳定共存，并用模拟和平均场理论证明该相可在单独不稳定条件下存在，揭示染色质作为低维表面在核内相组织中的关键作用。
2025-05-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Facilitated diffusion of proteins on chromatin
我们提出了一个理论模型，促进扩散的蛋白质在细胞核中。该模型考虑了蛋白质与DNA的连续结合/解结合事件，依赖于最近实验证明的染色质的分形描述。促进扩散被定量地示出为有利于通过转录因子快速定位靶位点，并且甚至能够通过调整转录因子与DNA的亲和力来使搜索时间最小化。这项研究显示了稳健的促进扩散机制，调用到目前为止只为线性构象的DNA。
2011-01-26 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
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
Effects of intersegmental transfers on target location by proteins
我们研究了一个模型的蛋白质搜索的目标，利用促进扩散，在一个DNA分子局限在一个有限的体积。该模型包括三种不同的易化扩散途径：（a）滑动-蛋白质沿着DNA的轮廓扩散;（b）跳跃-蛋白质通过三维扩散在DNA的两个位点之间移动;最后（c）片段间转移-蛋白质通过同时瞬时结合两个位点而从一个位点移动到另一个位点。典型的搜索时间计算使用的缩放参数，数值验证。我们的研究结果表明，包括intersegmental传输（i）大大减少了搜索时间（ii）使搜索时间更强大的模型参数的变化和（iii），最佳搜索时间发生在一个政权非常不同的模型，忽略intersegmental传输。我们发现的行为是丰富的，并显示出惊人的依赖性，例如，对DNA长度的依赖性。
2008-07-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Facilitated diffusion on mobile DNA: configurational traps and sequence heterogeneity
我们提出了布朗动力学模拟的促进扩散的蛋白质，建模为一个球，其表面上的结合位点，沿DNA，建模为半柔性聚合物。我们认为，在3D的DNA组织的影响，和序列的异质性。我们发现，在一个网络的DNA环，被认为是存在于细菌DNA中，搜索过程是非常敏感的空间位置的目标在这样的循环。因此，通过改变基因组的局部拓扑结构，可以抑制或促进特定的基因。另一方面，层序的非均质性会形成圈闭，通常会减缓易化扩散。然而，当适当地放置这些陷阱时，令人惊讶的是，它们可以使搜索过程更加有效。
2012-12-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Target search on DNA by interacting molecules: First-passage approach
基因调控是活细胞中最重要的基本生物学过程之一。它涉及多个蛋白质分子，这些蛋白质分子定位于DNA上的特定位点，并组装基因起始或基因阻遏多分子复合物。虽然DNA靶点的蛋白质搜索动力学已经被深入研究，但在遗传激活或抑制过程中分子间相互作用的作用仍然没有很好地量化。在这里，我们提出了一个简单的一维模型的目标搜索两个相互作用的分子，可以可逆地形成一个二聚体分子复合物，这也参与了搜索过程。此外，蛋白质在特定靶位点上具有有限的停留时间，并且当两种蛋白质同时存在于靶点时，基因被激活或抑制。该模型进行了分析，使用首次通过分析计算和蒙特卡罗计算机模拟。结果表明，搜索动力学表现出复杂的行为，取决于分子间相互作用的强度和目标的停留时间。我们还发现，搜索时间表现出非单调的行为作为分子复合物的解离速率的函数。物理化学参数来解释这些意见。我们的理论方法强调了分子相互作用在基因激活/抑制的复杂过程中的重要性。
2019-08-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Kinetics of target site localization of a protein on DNA: a stochastic approach
人们普遍认为，限制性内切酶对靶DNA序列的切割速率比由扩散限制理论计算的最大切割速率快几个数量级。因此，通常认为限制性内切酶与DNA的靶位点相互作用必须通过两个步骤发生：沿DNA片段的一维扩散和来自缔合/解离事件的长程跳跃。我们在这里提出了一个随机模型，该反应包括一系列的1D扩散的限制性内切酶的非特异性DNA序列中断的3D漂移的解决方案，直到达到的目标序列。该模型提供了一个最佳的发现策略，解释了快速的关联率。由不相关的随机跳跃的漂移建模，我们恢复的平均时间所需的目标网站协会发生的Berg等人给出的表达式。\cite{berg81}，我们明确给出了几个物理量描述的随机途径的酶。对于竞争性目标位点，我们计算两个量：持续合成能力和偏好。通过将这些理论表达式与最近获得的\textit{Eco} RV-DNA相互作用的实验数据进行比较，我们定量：i）对于代表性的1D扩散系数，\textit{Eco} RV在DNA上的每次结合事件的平均停留时间，ii）在1D扩散期间扫描的DNA的平均长度iii）从一个靶位点到另一个靶位点所需的平均时间和平均访问次数。此外，我们评估了DNA切割的动力学方面的限制性内切酶进行另一个1D扩散相同的DNA基板后的3D偏移的概率。
2005-02-23 cond-mat.stat-mech q-bio.QM q-bio.SC
