Deformerbarheten av dubbelhelicalt DNA är avgörande för dess förpackning i cellen, igenkännande av andra molekyler, och övergående öppning under biokemiskt viktiga processer. Här utvinns en komplett uppsättning sekvensberoende empiriska energifunktioner som lämpar sig för att beskriva sådant beteende från f-luctuations och korrelationer av strukturella parametrar i DNA-proteinkristallkomplex. Dessa elastiska funktioner ger användbara stereokemiska mått på de lokala basstegrörelserna som fungerar i sekvensspecifika igenkännings- och proteininducerade deformationer. I synnerhet sticker pyrimidin-purin dimers ut som de mest varierande stegen i DNA-proteinkomplexen, uppenbarligen fungerar som f lexible ''hinges'' som passar duplex till proteinytan. Förutom de vinkelparametrar som ofta används för att beskriva DNA-deformationer (dvs. böj- och vridvinklar), analyseras de translationella parametrar som beskriver förskjutningar av baspar längs och över den spiralala axeln. De observerade korrelationerna av baspar böjning och klippning rörelser är viktiga för nonplanar vikning av DNA i nukleosomer och andra nukleoproteinkomplex. De kunskapsbaserade energierna erbjuder också realistiska tredimensionella modeller för studier av långa DNA-polymerer på global nivå, med strukturella egenskaper utöver konventionella elastiska stavbehandlingar och med en ny dimension till bokstavliga analyser av genomiska sekvenser. Förutom det genetiska budskapet, DNA-bassekvensen bär en mängd andra signaler relaterade till manipulering av den långa, trådliknande molekylen. Primära sekvenser av nukleinsyrabaser bestämmer tredimensionella strukturer vars fysikaliska egenskaper återspeglar de ingående resterna. Det befintliga biblioteket av lösta DNA-kristallstrukturer (1) avslöjar till exempel subtila sekvensberoende oegentligheter i orienteringen och förskjutningen av angränsande rester (2). Duplex stabilitet under en given uppsättning av miljöförhållanden beror också på god approximation av identiteten på de 10 närmaste grann baspar (3). Den linjära sekvensen av genetisk information expanderar därmed till en bassekvensberoende rumslig och energisk kod som styr den globala organisationen av dubbelhelix och dess känslighet för interaktioner med andra molekyler. Intresset för att förstå de fysiska egenskaperna hos genomiskt DNA har lett utvecklingen av nya metoder för att analysera och skildra sekvensberoende böjning och vridning av angränsande baspar. Studier av gelmigration (4), kedjecykliseringskinetik (4, 5) och nukleosomfas (6) har gett en mängd olika sekvensberoende modeller för att redovisa observerade data. Dessutom, samlas oligonukleotid kristall strukturer visar liknande konformationella trender (2), även om det finns skillnader mellan röntgen och lösning bedömningar av riktningen för böjning vid några dimer steg (7, 8). De fasta tillståndsdata visar dessutom sekvensberoende skillnader i förskjutningen av baspar [se t.ex., Slide (2)], en funktion som vanligtvis inte beaktas i enkla modeller monterade på lösningsdata (4-6). De termiska fluktuationer som härleds från lösningsstudier av långt DNA (9) utgör ytterligare ett viktigt inslag i dubbelhelix. Dessa makroskopiska egenskaper, som inte lätt tolkas på basparnivå, brukar beskrivas av förändringar i de elastiska konstanterna i idealiserade sekvensoberoende modeller som matchar observerade data. Den sekvensspecifika igenkänningen av DNA av proteiner och andra ligander kräver dock en mer sofistikerad beskrivning av kedjeflexibilitet än vad som kan härledas från enhetliga elastiska modeller. I synnerhet svarar DNA på proteinbindning genom sekvensberoende kinking och intercalation (10-12). Denna deformerbarhet är nödvändig på både global och lokal nivå, vilket fungerar som en potentiell långdistanssignal för molekylärt igenkännande samt tar hänsyn till de lokala förvrängningarna av den dubbla helix som induceras av tät bindning, dvs. den så kallade konformationsigenkänningen eller indirekt avläsning av DNA-rester (13, 14). Analys av sådana system kräver modeller som innehåller detaljerade stereokemiska egenskaper hos DNA-sekvenser. En av de bästa källorna till denna information är databasen av protein-DNA kristallkomplex (1) som har vuxit till den punkt där det nu finns tillräckligt med data för att extrahera duplex egenskaper (medel och fluktuationer) på nivån för närmaste grannar, dvs 10 unika baspar steg. Även om trimerare och tetramerer i princip kan vara att föredra, finns det ännu inte tillräckligt med kristallografiska data för att ta itu med DNA-deformerbarhet på denna nivå. En ytterligare begränsning av nuvarande data är att anisotropa strukturfaktorer sällan rapporteras, t.ex. endast en B-DNA-struktur (15) och inga protein-DNA-komplex. Därför kan "realtids"-flexibiliteten för DNA i ett givet komplex inte bestämmas direkt från de kokristallina uppgifterna. Ändå kan man använda de ensemble-genomsnittliga parametrar som kännetecknar DNA-variabiliteten i dessa komplex för att lära sig om de inneboende rörelserna hos dubbelhelix. Detta tillvägagångssätt kan motiveras på följande sätt: Olika proteiner tvingar olika typer av krafter på DNA, så de förvrängningar av DNA som orsakas av många typer av proteiner effektivt avbryta varandra (större vs. mindre spår böjning, etc.). Därför antar vi att DNA:s naturliga konformationsrespons kommer att dyka upp efter i genomsnitt över en stor ensemble av komplex. (Dessa allmänna principer kommer inte nödvändigtvis att förutsäga interaktioner mellan DNA och aminosyror i specifika komplex.) Här rapporterar vi beteendet hos dimer steg som samlats in från 92 protein-DNA kristallkomplex och erbjuder en uppsättning empiriska energifunktioner som beskriver den observerade sekvensberoende deformerbarheten av de sammansatta strukturerna. För att beskriva DNA-variabiliteten på detta sätt tillämpar vi ett formellt "skulande" förfarande på röntgendatauppsättningen för att erhålla Gaussiska distributioner av konformationsparametrar. Tabell 1 sammanfattar denna information i termer av spridningen av de sex Publiceringskostnaderna för denna artikel var delvis defrayed av siddebitering. Artikeln måste därför märkas med "annonsering" i enlighet med 18 U.S.C. §1734 endast för att ange detta faktum.
De använde kunskapsbaserade harmoniska energifunktioner som härleddes från kristallstrukturerna i protein-DNA-komplex REF, som lätt kan ersättas med dem som härleds i denna studie; dessutom kan de ersättas med tetramerversioner av funktionerna för att mer exakt beskriva sekvensberoende rörelser av DNA.
DNA sequence-dependent deformability deduced from protein-DNA crystal complexes
{'venue': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'journal': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'mag_field_of_study': ['Chemistry', 'Medicine']}