Theoretical Models for Tension-Dependent DNA Looping Time
针对现有DNA张力成环理论模型预测不一、有效性存疑的问题，研究提出新理论模型，其与长半柔性链模拟结果高度吻合，还阐明了与两态模型的关联及独特解释思路，为后续实验验证提供预测参考。
2025-01-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Suppression and enhancement of transcriptional noise by DNA looping
已经观察到DNA成环可以增强和抑制转录噪音，但是对于给定的条件，这两种相反的效果中的哪一种是预期的还不确定。在这里，我们推导出的主要量化的转录噪音的分子参数的解析表达式，并阐明DNA循环的作用。我们的研究结果合理化了矛盾的实验观察，并首次定量解释了经典乳糖操纵子遗传系统单分子水平上具有里程碑意义的单个细胞测量结果[Choi et al.，Science 322，442-446（2008）]。
2014-06-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
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
DNA handles bias force-dependent looping times
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；UHasselt, Faculty of Sciences, Data Science Institute, Theory Lab（荷语布鲁塞尔自由大学理学院数据科学研究所理论实验室）
研究 DNA 环化时间受间接力传递的影响，通过分子动力学模拟和分析框架，揭示侧翼片段对环化时间力依赖性的作用，用粗粒化 DNA 模型获与实验相符的预测，表明力传递几何结构对环化动力学有显著影响。
2026-10-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Kinetics of polymer looping with macromolecular crowding: effects of volume fraction and crowder size
聚合物（如DNA）的成环是活细胞分子生物学中的一个基本过程，其内部的特征是高度的分子拥挤。在这里，我们详细研究了在不同程度的拥挤的存在下，灵活的聚合物链的循环动力学。从分析的循环unlooping率和循环概率的链端，我们表明，存在的小拥挤通常会减慢链的动态，但较大的拥挤实际上可能会促进循环。我们合理化这些非平凡的，往往违反直觉的影响，拥挤的大小循环动力学方面的有效解决方案的粘度和标准排除体积效应。因此，对于小拥挤的粘度增加的影响占主导地位，而对于大拥挤，我们认为，约束效应（笼）占上风。因此，两种趋势之间的权衡可能导致聚合物成环的阻碍或促进，这取决于拥挤的大小。我们还研究了拥挤的体积分数，链长，和吸引力的聚合物链的接触基团的强度如何影响成环动力学和发夹形成动力学。我们的研究结果是相关的DNA循环的存在和不存在的蛋白质介导，DNA发夹的形成，RNA折叠，并在生物相关的高拥挤条件下的多肽链的折叠。
2014-12-23 cond-mat.soft 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
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
Single DNA conformations and biological function
从纳米科学的角度来看，细胞过程及其减少的体外模拟为高度稳健的少数或单分子反应途径提供了非凡的例子。一个主要的例子是涉及DNA分子的生化反应，以及这些反应与DNA物理构象的耦合。在这篇综述中，我们总结了最近的结果，对以下现象：我们调查的生物物理性质的DNA循环和DNA结的平衡配置，其相关的生物过程越来越多地赞赏。我们讨论了随机DNA循环可能与蛋白质在DNA分子上的特异性结合位点的目标搜索过程的效率有关。我们详述间歇性DNA纳米气泡的自发形成及其对生物过程的重要性，如转录起始。DNA的物理性质可能确实特别适合在纳米传感应用中使用DNA。
2006-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Non-equilibrium chromosome looping via molecular slip-links
我们提出了一个模型的基础上形成的染色质循环的扩散滑动的DNA结合因子，可以二聚化，形成一个分子滑动链接。我们的滑动链接模仿了类粘蛋白分子的行为，这些分子与CTCF蛋白一起稳定了组织基因组的环。通过结合三维布朗动力学模拟和一维精确可解的非平衡模型，我们表明，扩散滑动足以解释实验观察到的有利于收敛CTCF介导的染色体环的强烈偏见。重要的是，我们的模型不需要任何潜在的、耗费能量的内聚素运动活动。我们还发现，多个滑动链接沿染色质的扩散运动可能会被纠正一个有趣的棘轮效应，如果滑动链接绑定到染色质在一个首选的“加载站点”。这种紧急的集体行为是由一个一维渗透压，这是建立在加载点附近，并有利于挤压的环路，这是远远大于由单个滑动链接形成的。
2016-12-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Determinants of cyclization-decyclization kinetics of short DNA with sticky ends
具有粘性末端的DNA的环化通常用于构建DNA微环和测量DNA可弯曲性。短DNA（< 150 bp）的环化概率具有很强的长度依赖性，但它如何依赖于粘性末端围绕螺旋轴的旋转定位尚不清楚。为了阐明短DNA环化概率的决定因素，我们使用单分子荧光共振能量转移（FRET）测量了具有粘性末端的~100-bp DNA在两个螺旋周期内的环化和解环速率。环化速率随长度单调增加，表明没有过度扭曲，而脱环速率随长度振荡，在半整数螺旋圈处较高，在整数螺旋圈处较低。振荡曲线在动力学和动力学上与三态环化模型一致，其中粘性末端的短DNA首先弯曲成扭转松弛的泪滴，随后在末端碱基堆叠时过渡到更稳定的环。我们还表明，从这项研究中提取的成环概率密度（J因子）与蠕虫状链模型在100 bp附近是很好的协议。对于较短的DNA，我们讨论了各种实验因素，防止J因子的准确测量。
2018-12-21 physics.bio-ph q-bio.BM
The long reach of DNA sequence heterogeneity in diffusive processes
许多生物过程都涉及到相关长度为$ξ_c$的相关非均匀能量景观上的一维扩散。典型的例子是DNA上的特异性蛋白质靶定位、核小体重新定位或DNA移位通过纳米孔，在所有情况下$ξ_c\approx$ 10 nm。我们调查这种运输过程的平均首次通过时间（MFPT）的形式主义，并发现扩散时间表现出强烈的样品样品的波动。对于一个位移$N$，平均MFPT是扩散的，而它的标准偏差在能量分布的合奏尺度为$N^{3/2}$与一个大的前因子。因此，对于小于特征$N_c \gg ξ_c$的位移，波动占主导地位：典型值远小于平均值，并受异常扩散规则支配。潜在的生物后果，这种随机行走，包括快速扫描附近的有利的能量谷和偶尔跳转到进一步的山谷，进行了讨论。
2003-10-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
First-passage processes on a filamentous track in a dense traffic: optimizing diffusive search for a target in crowding conditions
几个重要的生物过程是由蛋白质与DNA上的特定位点结合而启动的。转录因子（transcription factor，TF）是一种蛋白质，它在DNA上寻找特异性结合位点的策略已经被研究了几十年。近年来，像DNA结合蛋白这样的障碍物对TF搜索的影响开始受到关注。RNA聚合酶（RNAP）马达在称为转录的基因组过程中沿着DNA片段共同移动。这种RNAP流量必然会影响TF搜索其结合位点对DNA的相同片段的扩散扫描。出于这种现象，在这里，我们开发了一个动力学模型，其中一个“粒子”，代表TF，搜索一维晶格上的特定位置。在同一个晶格上，另一种粒子，每一种都代表一个RNAP，从左到右跳跃，就像完全不对称的简单排他过程（TASEP）一样，禁止一个以上的粒子同时占据任何位置，不管它们的身份如何。虽然TF被允许附着到任何晶格位点或从任何晶格位点分离，但是RNAP可以仅附着到晶格的左边缘处的第一个位点并且仅从晶格的右边缘上的最后一个位点分离。我们将搜索公式化为{ \it首次通过}过程;从定义明确的初始状态开始，到达目标位点{ \it首次通过}所需的时间为搜索时间。通过近似解析计算和蒙特卡罗（MC）计算机模拟，我们计算了平均搜索时间。我们发现，RNAP交通纠正TF的扩散运动的布朗棘轮，和成功搜索的平均时间甚至可以短于所需的RNAP交通的情况下。此外，我们表明，有一个最佳的脱离率，对应于最短的平均搜索时间。
2018-10-16 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Continuous-time random walk model for the diffusive motion of helicases
本研究针对DNA解旋酶的扩散运动，利用磁镊和光镊测量三种解旋酶在不同条件下的速率与扩散系数，通过连续时间随机游走模型解析其力化学循环，发现需引入偏离主路径的暂停态拟合数据，且RecG复旋时效率接近100%，为分子机器活性表征提供了新方法。
2025-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Multiple Lac-mediated loops revealed by Bayesian statistics and tethered particle motion
细菌转录因子LacI通过同时结合到DNA上的两个独立位置来使DNA成环。尽管是一个最好的研究模型系统的转录调控，环结构的数量和构象的访问LacI仍然不清楚，虽然多个共存的循环的重要性已被牵连在LacI和其他细胞调节基因表达之间的相互作用。为了探讨这个问题，我们已经开发了一种新的分析方法拴系粒子运动，一个通用的和常用的体外单分子技术。我们的方法，vbTPM，进行变分贝叶斯推断隐马尔可夫模型。它学习不同状态的数量（即，DNA-蛋白质构象）直接从系留粒子运动数据，具有比现有方法更好的分辨率，同时容易校正常见的实验伪影。研究短（约100 bp）的LacI介导的环，我们提供了三个不同的环结构的证据，比以前报道的单分子研究。此外，我们的研究结果证实，LacI构象和DNA结合拓扑结构的变化都有助于在体外形成的LacI介导的环的剧目，并提供定性的循环和转录调控模型的新输入。我们预计vbTPM将广泛用于探测复杂的蛋白质-核酸相互作用。
2014-06-18 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.BM
Mathematical model of alternative mechanism of telomere length maintenance
生物聚合物长度调节是一个复杂的过程，涉及大量的子过程同时作用于多个空间和时间尺度。对基因组稳定性很重要的一个例证是端粒的长度调节-线性染色体末端的核蛋白结构。端粒的维持通常由端粒酶促进，但是，特别是在无端粒酶的系统中，染色体末端的维持依赖于由重组介导的端粒的替代性延长（ALT）机制。各种线性和环状DNA结构被确定参与ALT，然而，整个过程的动力学仍然知之甚少。我们提出了一个化学动力学模型ALT动力学速率系统地来自生物物理学的DNA扩散和循环。通过准稳态近似，将反应体系简化为凝聚-破碎体系。动力学速率的详细治疗产生明确的公式预期的端粒的大小分布，展示了J-因子，聚合物的弯曲的定量测量所发挥的关键作用。结果与实验数据一致，并指出有趣的现象：出现很长的端粒圈，如果总端粒密度超过一个临界值（过量质量）和非线性响应的端粒大小分布的端粒DNA的量在系统中。这些结果对于理解端粒在非依赖于端粒酶的系统中的动力学具有普遍的重要性，因为这种端粒维持模式与缺乏端粒酶活性的肿瘤细胞中的情况相似。此外，由于其普遍性，该模型也可以作为一个原型的线性和环状DNA结构之间的相互作用，在各种设置。
2014-02-03 physics.bio-ph q-bio.BM
Time and space generalized diffusion equation on graphs/networks
正常扩散和反常扩散在许多复杂系统中普遍存在[1]。在这里，我们定义了一个时间和空间广义扩散方程（GDE），它使用分数时间导数和图/网络上的转换d-路径拉普拉斯算子。我们发现解析解这个方程，并证明它涵盖了制度的正常，子和superdiffusion作为一个函数的两个参数的模型。我们扩展的GDE考虑一个系统的正常和异常的扩散，可以观察到，例如在扩散的蛋白质沿DNA链的时间交替。我们在一维系统上模拟线性DNA链进行计算实验。结果表明，一个subdiffusive-superdiffusive交替政权允许扩散粒子探索更慢的小区域的链与更快的全球性的探索，比subdiffusive-subdiffusive政权。因此，交替的滑动（亚扩散）与跳跃和片段间转移（超扩散）机制显示了蛋白质-DNA相互作用的重要进展。
2022-02-01 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph physics.soc-ph
Diffusive spreading of a polydisperse polymer solution in a channel
该研究用 Monte Carlo 模拟分析狭窄通道中多分散 DNA 片段的单列扩散铺展，提出首达铺展时间与随机性参数 Z，揭示尺寸分布、随机效应及片段数对分离时间的影响。
2025-06-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
