Modelling mechanical properties of RNA and DNA

Abstract

Structural and mechanical properties of nucleic acids play a key role in a wide range of biological processes, as well as in the field of nucleic acid nanotechnology. The thesis presents results of several studies focused on modelling these properties. Extensive unrestrained atomic-resolution molecular dynamics (MD) simulations are used to investigate structural dynamics of nucleic acids, and to parametrize their mechanical models. The deformation energy is assumed to be a general quadratic function of suitably chosen internal coordinates. Two types of models are employed which differ in the level of coarse- graining. The first one is based on the description of conformation at the level of individual bases and the second, coarser one is used to study global bending and twisting flexibility. The models are applied to explain mechanical properties of A-tracts in the context of DNA looping and nucleosome positioning, to characterize twist-stretch cou- pled deformations in DNA and RNA, and to predict changes in the properties of damaged DNA that are likely to be relevant for damage recognition and repair. Besides that, we propose a general model of DNA allostery, applied to study the effect of minor groove binding of small ligands and the allosteric coupling between proteins mediated by the DNA. A careful...

Strukturní a mechanické vlastnosti nukleových kyselin hrají klíčovou roli v řadě biologických procesů i v oblasti nanotechnologií. Práce předkládá výsledky několika studií zaměřených na modelování těchto vlastností. Rozsáhlé simulace atomistické molekulové dynamiky (MD) jsou použity ke studiu strukturní dynamiky nukleových kyselin a k parametrizaci modelů jejich mechaniky. Používáme dva modely, které předpokládají deformační energii ve tvaru obecné kvadratické funkce vhodně zvolených vnitřních souřadnic, a liší se v úrovní rozlišení. První model je založen na popisu konformace na úrovni jednotlivých bází, zatímco druhý, hrubší model, je vhodný k popisu tuhosti vůči globálním deformacím v ohybu a celkové torzi. Tyto modely jsou využity ke studiu mechanických vlastností A-traktů v souvislosti s tvorbou smyček a lokalizací nukleosomů, k charakterizaci spřažených deformací v torzi a prodloužení helikální DNA a RNA, a k predikci změn ve vlastnostech poškozené DNA v souvislosti s procesem rozpoznání a oprav tohoto poškození. Kromě toho je představen návrh obecného modelu alosterických efektů v DNA, který je aplikován k predikci změn ve struktuře DNA způsobených vazbou ligandů do malého žlábku a...