Mechanisms of DNA-mediated allostery
本研究开发了DNA/蛋白质相互作用的力学模型，预测了三种DNA介导的别构机制（焓介导与熵驱动），并通过分析实验特征以识别最符合数据的机制。
2024-01-10 cond-mat.stat-mech 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
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
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
Coarse-grained modeling of protein unspecifically bound to DNA
现在有一个共识，即转录因子（TF）到达它们的靶位点，在那里它们通过被称为易化扩散（FD）的机制调节基因转录。在FD中，TF在溶液中的3D扩散（跳跃）、沿着DNA的1D扩散（滑动）和小跳跃（跳跃）事件之间循环，实现比仅3D扩散更高的缔合速率。我们通过分子动力学模拟的粗粒度建模的框架中调查的FD现象。尽管粗糙的近似，我们表明，该模型产生的DNA-TF相互作用的平衡距离不同时，一个现象匹配的一些实验和数值结果与更精细的模型。特别是，通过专注于运动学的过程中，我们表征TF轨迹在滑动过程中的几何特性。我们发现，滑动发生通过螺旋路径周围的DNA螺旋导致耦合的平移沿DNA轴与旋转围绕it. The一维扩散常数在模拟中测量被发现是交织在一起的几何性质的滑动，我们开发了一个简单的参数能够定量再现测量值。
2014-02-25 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Searching for targets on a model DNA: Effects of inter-segment hopping, detachment and re-attachment
对于DNA代谢中的大多数重要过程，蛋白质必须到达DNA上的特定结合位点。特异性结合位点可能仅由几个碱基对组成，而DNA通常有数百万个碱基对长。蛋白质如何寻找靶位点？成功搜索的最有效机制是什么？受这些细胞内生物过程的基本问题的启发，我们开发了一个模型，用于通过单个蛋白质搜索模型DNA上的特定位点。我们已经做了一个比较定量研究的效率滑动，节段间的跳跃和分离/再附着的颗粒在其搜索的特定位点的DNA。我们还介绍了一些新的定量措施{ \it效率}的搜索过程中定义的相关数量，可以测量在{ \it体外}实验。
2010-01-10 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
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
Unwrapping of DNA-protein complexes under external stretching
研究了由半柔性链和具有吸引力的球形核组成的DNA-蛋白质复合物，当链的一端单体受到外力作用，而另一端单体在空间保持固定时的情况.在没有拉伸力的情况下，链条缠绕在芯上。通过施加外部拉伸力，诱导复合物的解缠绕。我们通过计算机模拟和简单的唯象理论来研究解缠过程的静态和动态。我们发现两种不同的情况下，取决于链的刚度：对于一个灵活的链，复杂的规模线性的外力的扩展。球-链复合体是无序的，即链围绕球没有明显的缠绕。另一方面，对于刚性链，复杂的结构是有序的，这让人想起核小体。外拉伸下的解缠过程是不连续的，距离-力曲线有跳跃。这与复合物的离散解旋过程有关。我们的预测是相关的实验，测量力延伸曲线的DNA-蛋白质复合物，如核小体，使用光镊。
2004-03-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Exploring the benefits of DNA-target search with antenna
本文提出两个数学框架研究蛋白质在DNA上寻找短调控序列的搜索问题，推导了最优解离速率公式，并发现单天线上目标通量的非平凡对数修正。
2024-04-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Theory of force-extension curve for modular proteins and DNA hairpins
我们研究了一个描述模块化蛋白质，核酸和其他生物分子的力延伸曲线的模型，这些生物分子由几个单一的单元或模块组成。在介观水平的描述，系统的配置是由每个单元的伸长率。系统自由能包括每个单元的双阱势和它们之间的弹性近邻相互作用。最小化的自由能产生系统的平衡特性，而其动力学是由（过阻尼）朗之万方程的伸长率，其中摩擦和噪声振幅相关的波动耗散定理。我们的结果，无论是平衡和动力学的情况下，包括力或长度控制下的系统力-延伸曲线的分析和数值描述，并同意与生物分子的实际实验非常好。我们的结论也适用于其他物理系统，包括一些亚稳态单位，如存储系统或半导体超晶格。
2015-05-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Quantitative approach to facilitated diffusion with intersegmental jumping
我们研究了DNA卷曲对蛋白质沿着DNA轮廓散布的三维（3D）散装游览的搜索速率的影响。当DNA卷曲时，沿着DNA片段进行短的3D跳跃的蛋白质可以被已经环回到接近原始片段的外来DNA片段捕获。这些片段间的跳跃被证明是通过降低对DNA上先前访问过的位点进行重采样的趋势来提高对DNA上特定位点的搜索率。这里开发的模型提供了一个定量描述最近的单分子实验的限制性内切酶EcoRV促进扩散。
2008-12-16 cond-mat.stat-mech 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
Exons, introns and DNA thermodynamics
真核生物的基因的特征在于蛋白质编码片段，外显子，被内含子中断，即DNA片段，其不携带任何对蛋白质合成有用的信息。我们分析了随机选择的人类cDNA序列的熔解行为，这些cDNA序列是通过去除所有内含子从基因组DNA中获得的。外显子和解链域之间观察到明确的对应关系。这一发现可能为基因进化的物理机制提供新的见解。
2005-09-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
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
Intercalation and buckling instability of DNA linker within locked chromatin fiber
染色质纤维是DNA和称为组蛋白的特定蛋白质的复合物，形成真核细胞染色体组织的第一结构水平。在紧密组织的染色质纤维中，连接核小体的裸露DNA的短片段受到强烈的末端约束。在这些接头中的纵向热波动允许蛋白质结合的插入模式。我们表明，在结合过程的第一阶段中产生的机械约束诱导接头DNA屈曲;屈曲反过来修改的结合能和激活障碍，并创建一个力的deconconsation在染色质纤维水平。DNA独特的结构和性质产生了一种新的屈曲不稳定性的物理机制，可能在基因表达的调控中发挥关键作用。
2002-11-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Physics of RecA-mediated homologous recognition
大多数参与DNA加工的蛋白质作为单体或作为含有相对少量其他元件的多聚体的组分来完成其活性。它们通常在局部起作用，与DNA底物的一个或几个小区域结合。引人注目的例外是\textit{E. coli}蛋白RecA及其在其他物种中的同源物，其活性与同源DNA重组有关。RecA在DNA重组中的活性形式是由RecA和DNA形成的刚性核蛋白丝，其中DNA延伸50%。通过对物理和几何概念的分析，我们证明了这种结构极大地提高了同源识别率，同时防止了多位点识别引起的拓扑陷阱的形成。
2004-02-04 cond-mat.stat-mech q-bio.BM q-bio.GN
Entropy-Enthalpy Compensation May Be a Useful Interpretation Tool for Complex Systems Like Protein-DNA Complexes: An Appeal to Experimentalists
在各种化学体系中，熵-熵补偿（EEC）是一个众所周知的行为规则，尽管它的物理根源仍然没有完全理解。人们经常质疑EEC是一种真正的物理现象，还是由于物理力学参数之间的琐碎数学联系而产生的巧合-或者更简单：由于对实验数据的误解而产生的幻影效应。在这里，我们回顾EEC从一个新的角度使用相关的概念，这是必不可少的因素分析的方法，但不是传统的物理和化学。我们的结论是，EEC可能是合理的隐藏（不能直接测量的帮助下，目前的实验设置），但物理上真实的因素，这意味着一个卡诺循环模型中的微相变（MPT）起着至关重要的作用。物理上有效的EEC的这种MPT的实例通常应该是超分子聚集体中的协同过程，如疏水表面的结构化水的变化、配体-生物聚合物结合时的构象转变等。MPT的概念可以帮助合理化EEC的发生与蛋白质的水合和折叠，酶促反应，分子马达的功能，DNA去杂交和再杂交，以及类似的现象。
2012-02-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
