Interactions of Proteins with Nucleic Acids: from Structure to Specificity

Abstract

Sequence-specific interactions between proteins and nucleic acids play an essential role in the cell biology. While several molecular mechanisms contributing to the binding speci- ficity have been identified empirically, no general protein-DNA recognition code has been described to date. In this thesis, I explore selected characteristics of protein-DNA inter- actions using computational methods. First, the pairwise interactions between the basic biomolecular building blocks-amino acids and nucleotides-are investigated. It is shown that several statistically enriched, biologically relevant interaction motifs correspond to the most energetically favorable configurations of the respective binding partners. In ad- dition, a relationship between the physico-chemical properties of the amino acid residues found at the protein-DNA interface and the local geometric features of the DNA helix is presented. Next, the applicability of molecular dynamics-based setups to the description of binding equilibria in protein-DNA systems is investigated. Discrepancies are observed between the description offered by the computer simulations and experimental results, as well as between the results obtained using two molecular mechanical force fields. Finally, the more general evolutionary aspects of protein organization...

Sekvenčně-specifické interakce mezi proteiny a nukleovými kyselinami mají zásadní roli v biologii buňky. I když několik molekulárních mechanismů podílejících se na vazebné speci- ficitě bylo empiricky vypozorováno, žádný obecný rozpoznávací kód pro protein-DNA interakce nebyl zatím popsán. V této disertační práci prozkoumávám vybrané charakter- istiky protein-DNA interakcí pomocí výpočetních metod. Nejdřív jsou studovány párové interakce mezi základními stavebními prvky biomolekul-aminokyselinami a nukleotidy. Je ukázáno, že některé statisticky nabohacené, biologicky relevantní interakční motivy odpovídají energeticky nejvýhodnějším geometrickým uspořádáním daných vazebných partnerů. Dále je demonstrován vztah mezi fyzikálně-chemickými vlastnostmi aminoky- selin nacházejících se na rozhraní proteinu s DNA a lokálními topologickými charak- teristikami DNA dvoušroubovice. V další části je prozkoumána využitelnost postupů založených na molekulové dynamice při popisu vazebných rovnováh v systémech protein- DNA. Jsou pozorovány rozdíly nejen mezi popisem získaným na základě počítačových simulací a experimentálními výsledky, ale i mezi výsledky získanými s využitím dvou různých molekulárně mechanických silových polí. V závěru jsou prozkoumány obecnější evoluční charakteristiky struktury proteinů a je...