Design, parameterization and verification of a coarse-grained model of DNA

Abstract

Souhrn Strukturní a mechanické vlastnosti DNA hrají klíčovou roli v její biologické funkci. Velké množství poznatků o sekvenčně závislé strukturní variabilitě DNA pochází z různých experi- mentálních a také výpočetních studií Dickersonova dodekameru (5')CGCGAATTCGCG(3') (DD), který je prototypem konformační rodiny B-DNA. Předložená práce se zabývá podrobnou analýzou strukturních a mechanických vlastností DD, založenou na rozsáhlých simulacích molekulové dynamiky (MD) s explicitní reprezentací vody a iontového prostředí. Simulovány jsou celkem tři systémy, které se mezi sebou liší v parametrizaci iontů a v použitém mod- elu vody. Dvě MD simulace jsou poprvé prezentovány v této studii, přičemž simulační čas u jedné z nich dosahuje 2.4 µs. Výsledné strukturní parametry jsou pečlivě srovnány s parame- try získanými z moderních krystalografických a NMR studií. V průběhu simulací byly u koncových bazí pozorovány dva různé typy párovaní, mající dlouhé doby života: kanonický watson- crickovský pár a nekanonický trans Watson-Crick/Sugar Edge pár. Tyto stavy mají významný vliv na strukturu DD. Dále byla nalezena jasná souvislost mezi konformacemi BI a BII cukr- fosfátového řetězce a hodnotami konformačních...

Structure and mechanical properties of DNA play a key role in its biological functioning. A lot of well-established conclusions about the DNA structure and its sequence-dependent variabil- ity came from various experimental and computational studies of the Dickerson-Drew dodecamer (DD), a prototypic B-DNA molecule of the sequence (5')CGCGAATTCGCG(3'). In this study we present a detailed analysis of structural and mechan- ical properties of DD based on extensive atomistic molecular dynamics (MD) simulations with explicit representation of wa- ter and ionic environment. We analyze three simulated systems covering different ionic conditions and water models. Two MD trajectories are reported for the first time, one of them being 2.4 µs long. An extensive comparsion with one recent NMR struc- ture and four recent X-ray structures is made. It is found that the end basepairs can adopt two different pairing motifs dur- ing the simulation: the canonical Watson-Crick pair or a non- canonical trans Watson-Crick/Sugar Edge pair. These states can significantly influence the structure of DD even at the third step from the end. A clear relationship is found between the BI/BII backbone substates and the basepair step conformation. A model of rigid bases is used to study mechanical properties of the DNA. The non-local...