研究不同立場對B-DNA到A-DNA構(gòu)型轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的結(jié)果,生物化學(xué)論文

研究不同立場對B-DNA到A-DNA構(gòu)型轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的結(jié)果,生物化學(xué)論文Abstract:TheaimofthepresentworkistoinvestigateandcomparetheeffectofthelatestCHARMMandAMBERforcefields〔includingbsc1andOL15〕ontheB-DNAtoA-DNAconversionthroughexploringthefree-energychangesoftheconversionprocess.Theextendedadaptivebiasingforce〔eABF〕methodwasutilizedtoperformthefree-energycalculations.Theresultsshowedthatthefree-energyprofilescharacterizingthetransitiondiffersignificantlyforthesetwoforcefields.TheAMBERforcefieldperformsbetterthantheCHARMMforcefieldinaqueoussolution.Thestructureneartheglobalminimumofthefree-energyprofilebytheAMBERforcefieldpresentsB-form,inagreementwiththeexperimentalresults,whilethemoststablestructurebytheCHARMMforcefieldlocatesbetweenA-andB-form.DeepanalysisoftheradialdistributionfunctionsofthecounterionsaroundDNArevealsthatthedistributionofcounterionsinminorgrooveusingtheCHARMMforcefieldislowerthanthatusingtheAMBERforcefield.Therefore,fortheCHARMMforcefield,therepulsionofphosphatesbackbonecouldnotbeproperlycounteractedbycounterions,asaresult,theminorgroovebecomeswider,causingaslightconformationalchangetowardsA-form.Keyword:B-DNA;A-DNA;Conformationalconversion;CHARMMforcefield;AMBERforcefield;Free-energycalculation;DNA作為生命信息傳遞的載體，主要存在B-DNA,A-DNA和Z-DNA3種形式[1].通常，在水活度較高的環(huán)境〔如細(xì)胞〕中，DNA主要以B構(gòu)型的形式存在。A-DNA則主要存在于水活度較低的環(huán)境〔如高鹽或高乙醇溶液〕中，當(dāng)DNA與RNA配對時，同樣會呈現(xiàn)A構(gòu)型[2].B構(gòu)型與A構(gòu)型DNA的構(gòu)造如此圖1所示，兩者均呈現(xiàn)右旋狀態(tài)，但A構(gòu)型小溝較寬，螺旋較短，呈現(xiàn)更嚴(yán)密的螺旋狀態(tài)。DNA構(gòu)造的改變與生命活動息息相關(guān)，分子動力學(xué)〔MD〕模擬被廣泛應(yīng)用于研究DNA構(gòu)造改變的機(jī)理[3,4].而分子動力學(xué)模擬的準(zhǔn)確性極大程度上依靠于分子力場的精到準(zhǔn)確程度。CHARMM[5,6],AMBER[7,8],GROMOS[9]及OPLS[10]等力場應(yīng)用于生物大分子體系已較為成熟。對于DNA,應(yīng)用較廣泛的力場包括CHARMM和AMBER力場，華而不實AMBER力場中的bsc1[7]和OL15[8]力場作為描繪敘述DNA的最新版力場被廣泛應(yīng)用。隨著力場的不斷優(yōu)化與發(fā)展，其參數(shù)的準(zhǔn)確性不斷提高，但缺乏仍然存在，因而發(fā)現(xiàn)并改良現(xiàn)有力場的缺乏是優(yōu)化力場參數(shù)的目的。已有研究結(jié)果表示清楚，CHARMM力場描繪敘述DNA,其構(gòu)造傾向于A構(gòu)型，AMBER則穩(wěn)定于B構(gòu)型[11].因而，不同力場的應(yīng)用范圍存在差異，通常，在水環(huán)境中AMBER力場能夠更好地描繪敘述B構(gòu)型，但在水活度較低的環(huán)境中，CHARMM力場對A-DNA的描繪敘述則愈加準(zhǔn)確，與實驗結(jié)果相吻合[12,13].固然不同力場下的構(gòu)造信息研究得比擬具體，但對該現(xiàn)象的本質(zhì)解釋并不特別清楚。同時，隨著力場參數(shù)的發(fā)展，不斷有新的力場被提出并廣泛應(yīng)用[7,8].為了深切進(jìn)入研究最新版CHARMM和AMBER力場對DNA構(gòu)型轉(zhuǎn)變的影響，本文采用分子模擬結(jié)合自由能計算的方式方法[14,15]比擬了不同力場下水溶液中B-DNA到A-DNA轉(zhuǎn)化的自由能變化。通過自由能計算能夠?qū)崿F(xiàn)對B構(gòu)型到A構(gòu)型轉(zhuǎn)變經(jīng)過的分析，結(jié)果表示清楚，CHARMM力場下的DNA小溝較寬，與實驗結(jié)果存在差異，采用徑向分布函數(shù)對該現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同力場下DNA周圍的離子分布存在較大區(qū)別，不同的離子分布是造成DNA穩(wěn)定構(gòu)造存在差異的主要因素。1、理論和方式方法1.1模型建立B-DNA和A-DNA的初始構(gòu)造由AMBER提供的NucleicAcidBuilder插件構(gòu)建，序列分別為GCGCGC和ATATAT.將構(gòu)建好的DNA模型置于帶有周期性邊界條件的水立方盒子中，每個體系參加10個K+作為抗衡離子，盒子大小約為6.1nm6.0nm6.4nm,每個體系的原子數(shù)均為20000個左右。用于模擬自然的生理環(huán)境。AT序列〔PDBcode:4J2I〕以及GC序列〔PDBcode:1QC1〕的晶體構(gòu)造參考自蛋白質(zhì)晶體構(gòu)造數(shù)據(jù)庫[16,17].1.2動力學(xué)模擬采用NAMD2.12軟件進(jìn)行MD模擬[18],分別使用CHARMM36力場、AMBER-OL15力場和AMBER-bsc1力場參數(shù)描繪敘述DNA;使用TIP3P模型[19]中的參數(shù)描繪敘述水分子。采用SKAKE/RATTLE算法[20,21]將非水分子中含有氫原子的共價鍵的長度限制在其平衡值，采用SETTLE算法[22]保持水分子的剛性。采用恒溫恒壓的Langevin動力學(xué)方式方法和Langevin活塞方式方法[23]將溫度和壓力分別控制在300K和1.01105Pa.范德華截斷半徑為1.2nm,長程靜電互相作用采用粒子網(wǎng)格埃瓦爾德〔PME〕方式方法計算。對運動方程積分的時間步長為2fs,每個體系在自由能計算之前均經(jīng)歷了2000步的能量最小化經(jīng)過。從自由能計算結(jié)果中選取最穩(wěn)定構(gòu)造進(jìn)行10ns的平衡模擬，應(yīng)用該軌跡進(jìn)行DNA構(gòu)造的參數(shù)分析及抗衡離子和水分子的徑向分布分析。采用VMD軟件[24]進(jìn)行軌跡分析。應(yīng)用CURVES+軟件[25]進(jìn)行DNA構(gòu)造參數(shù)分析，分析經(jīng)過中DNA兩末端分別除去兩對堿基，選取中間殘基進(jìn)行分析。1.3自由能計算采用擴(kuò)展自適應(yīng)偏置力〔eABF〕方式方法計算了轉(zhuǎn)化經(jīng)過的自由能變化[15],以RMSD〔RMSDB-RMSDA〕作為該轉(zhuǎn)化經(jīng)過的反響坐標(biāo)[26].選取DNA上所有重原子作為RMSD計算的參考原子，標(biāo)準(zhǔn)B-DNA與標(biāo)準(zhǔn)A-DNA的RMSD差值為0.3nm,-0.3RMSD0.3.當(dāng)RMSD0時，DNA的構(gòu)造偏向于B構(gòu)型；當(dāng)RMSD0時，DNA構(gòu)造偏向于A構(gòu)型。為了提高計算效率，反響途徑均被分為2個窗口：-0.3RMSD0和0RMSD0.3.每個窗口的模擬時間為150ns,每個體系的模擬時間為300ns,總模擬時間為1.2s.2、結(jié)果與討論2.1自由能曲線圖2〔A〕給出了ATATAT序列B-DNA到A-DNA轉(zhuǎn)變的自由能變化。對于AMBRER力場〔包括bsc1力場和OL15力場〕,最穩(wěn)定的構(gòu)造為B-DNA,bsc1力場與OL15力場對應(yīng)的RMSD值分別為-0.14和-0.15nm,如此圖3〔A〕和〔C〕所示，其構(gòu)造非常類似。對于CHARMM力場，存在一個范圍較廣的低能區(qū)，由提取能量最低點的構(gòu)造[圖3〔B〕]可見，DNA兩末端的氫鍵毀壞較為嚴(yán)重，氫鍵的毀壞使末端堿基運動較為靈敏，這是導(dǎo)致其穩(wěn)定構(gòu)造RMSD值范圍較廣的原因之一。圖2〔B〕給出了GCGCGC序列的B-DNA到A-DNA轉(zhuǎn)變的自由能變化?？梢?，在水環(huán)境中不同力場下DNA的最穩(wěn)定構(gòu)造存在差異。如此圖4〔A〕和〔C〕所示，對于AMBER力場無論是bsc1力場還是OL15力場，B-DNA到A-DNA轉(zhuǎn)化的經(jīng)過中最穩(wěn)定的構(gòu)造為B-DNA,對應(yīng)的RMSD值分別為-0.12和-0.13nm.對于CHARMM力場，最穩(wěn)定的構(gòu)造則偏離標(biāo)準(zhǔn)的B-DNA,表現(xiàn)為介于B構(gòu)型與A構(gòu)型中間的構(gòu)造[圖4〔B〕],對應(yīng)的RMSD值為-0.02nm,與實驗上表現(xiàn)出來的標(biāo)準(zhǔn)B-DNA存在差異。以上結(jié)果顯示，AMBER力場在描繪敘述水溶液中B-DNA到A-DNA轉(zhuǎn)化的最穩(wěn)定構(gòu)造愈加準(zhǔn)確，該結(jié)果與舊版力場的模擬結(jié)果類似[12,13],且bsc1力場與OL15力場結(jié)果幾乎一樣，因而，下面只選取bsc1力場進(jìn)行分析。2.2DNA構(gòu)造參數(shù)分析為了研究在不同力場下DNA全局能量最小點的穩(wěn)定構(gòu)造，提取出全局能量最低點的代表構(gòu)造進(jìn)行平衡模擬并分析其構(gòu)造參數(shù)。將不同序列DNA的構(gòu)造參數(shù)與晶體構(gòu)造進(jìn)行了比擬〔表S1,見本文支持信息〕,結(jié)果表示清楚，對于〔AT〕6序列，AMBER力場下的絕大部分構(gòu)造參數(shù)能夠更接近實驗結(jié)果。而對于〔GC〕6序列，CHARMM和AMBER力場對不同參數(shù)的精到準(zhǔn)確程度不同。華而不實不同力場差距較大的是大溝和小溝的寬度，為了進(jìn)一步探究其原因，進(jìn)行了深切進(jìn)入分析。為了進(jìn)一步探究DNA在不同力場下的構(gòu)造差異，對DNA大溝和小溝的寬度進(jìn)行了統(tǒng)計分析。圖5描繪敘述了不同力場下不同堿基序列的大溝寬度分布情況，發(fā)現(xiàn)對于〔AT〕6序列，bsc1力場下的大溝寬度分布范圍為1.1~1.4nm,與晶體構(gòu)造基本吻合；但CHARMM力場則出現(xiàn)較窄的大溝寬度，與晶體構(gòu)造存在差異[圖5〔A〕].對于〔GC〕6序列，bsc1力場下的大溝寬度相較于晶體構(gòu)造略寬，CHARMM力場下的大溝寬度與晶體構(gòu)造較為類似[圖5〔B〕].圖6描繪敘述了DNA小溝寬度的分布情況，〔AT〕6序列晶體構(gòu)造的小溝寬度分布范圍在0.3~0.6nm之間，bsc1力場從一定程度上能夠反映晶體構(gòu)造的小溝寬度，但是仍然存在小溝寬度偏大的現(xiàn)象；但對于CHARMM力場，小溝寬度分布在0.6~1.3nm之間，該結(jié)果完全偏離晶體構(gòu)造提供的信息[圖6〔A〕].對于〔GC〕6序列，bsc1力場能從一定程度上反映晶體構(gòu)造的小溝寬度，但CHARMM力場下的小溝寬度在分布上明顯右移，呈現(xiàn)較寬的小溝寬度[圖6〔B〕].可見，bsc1力場對DNA小溝寬度的描繪敘述更為準(zhǔn)確，而CHARMM力場下不同序列的小溝寬度均大于晶體構(gòu)造。由此可見，AMBER力場〔bsc1〕參數(shù)下DNA大溝和小溝的寬度明顯比CHARMM力場愈加精到準(zhǔn)確。2.3抗衡離子對DNA構(gòu)造的影響為了探究不同力場下大溝和小溝寬度存在較大差異的原因，對DNA周圍抗衡離子的分布進(jìn)行了探究。圖7和圖8分別描繪敘述了〔GC〕6序列與〔AT〕6序列在不同力場下DNA骨架、大溝和小溝周圍的離子分布情況。由圖7〔A〕,〔C〕和圖8〔A〕,〔C〕可見，無論是〔GC〕6序列還是〔AT〕6序列，bsc1力場下骨架及小溝周圍的離子分布密度均明顯高于CHARMM力場。bsc1力場下嚴(yán)密的離子分布更好地中和了磷酸骨架上的負(fù)電荷，降低了2條磷酸骨架之間的靜電排擠作用，因而與CHARMM力場相比，bsc1力場下的DNA構(gòu)造小溝的寬度較窄?？梢?，CHARMM力場不能準(zhǔn)確描繪敘述小溝寬度的主要因素是，在CHARMM力場下陽離子在小溝的分布較少，導(dǎo)致帶負(fù)電荷的磷酸骨架靜電排擠較大，小溝變寬。由圖7〔B〕和圖8〔B〕可見，對于一樣序列，bsc1力場和CHARMM力場下離子在DNA大溝周圍的分布密度差異不同不大，然而〔GC〕6序列與〔AT〕6序列之間卻存在較大差異。根據(jù)文獻(xiàn)[27]報道，對于〔GC〕6序列的DNA,離子在大溝的分布密度高于〔AT〕6序列，這在模擬中也得到了很好的驗證。同時，小溝周圍的離子分布對于不同的堿基序列也差異不同較大，由圖7〔C〕和圖8〔C〕可見，對于〔AT〕6序列的DNA,離子在小溝分布的傾向明顯高于〔GC〕6序列，離子在小溝周圍的嚴(yán)密分布更好地中和了磷酸骨架的負(fù)電荷，降低了靜電排擠作用，使小溝變窄，這很好地解釋了實驗上〔AT〕6序列DNA的小溝寬度小于〔GC〕6序列的現(xiàn)象。可見，離子在DNA周圍的分布情況是影響DNA大溝和小溝寬度的重要因素。2.4水分子對DNA構(gòu)造的影響DNA周圍水分子的分布情況同樣對DNA的構(gòu)造具有較大的影響。對于〔GC〕6序列，不同力場下DNA周圍水分子的分布相差不大〔圖9〕;但對于〔AT〕6序列，CHARMM力場下DNA的大溝和小溝周圍的水分子分布較多〔圖10〕.為了探究水分子對DNA構(gòu)造的影響，我們提取了平衡模擬中DNA的典型構(gòu)造，由圖3〔B〕可見，DNA末端堿基氫鍵被水分子毀壞較為嚴(yán)重。因而，對于CHARMM力場，〔AT〕6序列末端堿基的氫鍵易被周圍的水分子毀壞，這也是〔AT〕6序列大溝和小溝周圍水分子分布較多的原因。對于堿基之間存在3條氫鍵的〔GC〕6序列，相比于構(gòu)成2條氫鍵的〔AT〕6序列愈加穩(wěn)定，CHARMM力場與bsc1力場下DNA周圍水分子的分布情況則沒有較大區(qū)別。3、結(jié)論利用分子動力學(xué)模擬結(jié)合自由能計算的方式方法比擬了CHARMM和AMBER力場〔包括bsc1力場和OL15力場〕對水溶液中B-DNA到A-DNA轉(zhuǎn)化經(jīng)過的影響，分別得到了不同力場下最穩(wěn)定的DNA構(gòu)造。結(jié)果表示清楚，在水環(huán)境中不同力場下DNA的最穩(wěn)定構(gòu)造存在差異，CHARMM力場下DNA最穩(wěn)定構(gòu)造的小溝較寬，介于B構(gòu)型與A構(gòu)型之間；AMBER力場下的DNA小溝較窄，穩(wěn)定于B構(gòu)型。進(jìn)一步探究了不同力場下DNA穩(wěn)定構(gòu)造存在差異的原因，首先分析了DNA周圍離子的分布情況。結(jié)果表示清楚，CHARMM力場下DNA小溝周圍的離子密度明顯低于AMBER力場，不能很好地抵消磷酸骨架的排擠作用，是CHARMM力場小溝較寬且趨向A構(gòu)型的主要原因。進(jìn)一步分析了水分子的分布對DNA構(gòu)造的影響，表示清楚CHARMM力場下的〔AT〕6序列末端堿基之間的氫鍵被水分子毀壞較為嚴(yán)重，與AMBER力場相比，CHARMM力場下的氫鍵互相作用較弱。在模擬生理環(huán)境的水溶液中AMBER力場能夠更好地描繪敘述實驗現(xiàn)象。研究結(jié)果為分子模擬實驗設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，并對進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化提供了幫助。以下為參考文獻(xiàn)[1]SaengerW.,DefiningTermsfortheNucleicAcids,Springer,NewYork,1984[2]IvanovV.I.,MinchenkovaL.E.,MinyatE.E.,Frank-KamenetskiiM.D.,SchyolkinaA.K.,J.Mol.Biol.,1974,87〔4〕,817-833[3]MukherjeeA.,LaveryR.,BagchiB.,HynesJ.T.,J.Am.Chem.Soc.,2008,130〔30〕,9747-9755[4]DumontE.,WibowoM.,Roca-SanjunD.,GaravelliM.,AssfeldX.,MonariA.,J.Phys.Chem.Lett.,2021,6〔4〕,576-580[5]FoloppeN.,MacKerellA.D.Jr.,J.Comput.Chem.,2000,21〔2〕,86-104[6]MacKerellA.D.Jr.,BashfordD.,BellottM.,DunbrackR.L.Jr.,EvanseckJ.D.,FieldM.J.,FischerS.,GaoJ.,GuoH.,HaS.,J.Phys.Chem.B,1998,102〔18〕,3586-3616[7]IvaniI.,DansP.D.,NoyA.,PrezA.,FaustinoI.,HospitalA.,WaltherJ.,AndrioP.,Go1iR.,BalaceanuA.,Nat.Methods,2021,13〔1〕,55[8]ZgarbovM.,LuqueF.J.,ponerJ.I.,CheathamIIIT.E.,OtyepkaM.,JureckaP.,J.Chem.TheoryComput.,2020,9〔5〕,2339-2354[9]SoaresT.A.,HnenbergerP.H.,KastenholzM.A.,KrutlerV.,LenzT.,LinsR.D.,OostenbrinkC.,vanGunsterenW.F.,J.Comput.Chem.,2005,26〔7〕,725-737[10]RobertsonM.J.,Tirado-RivesJ.,JorgensenW.L.,J.Chem.TheoryComput.,2021,11〔7〕,3499-3509[11]SongC.,XiaY.Y.,ZhaoM.W.,LiuX.D.,LiF.,JiY.J.,HuangB.D.,YinY.Y.,J.Mol.Model.,2006,12〔3〕,249-254[12]CheathamT.E.,CrowleyM.F.,FoxT.,KollmanP.A.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1997,94〔18〕,9626-9630[13]YangL.,PettittB.M.,J.Phys.Chem.,1996,100〔7〕,2564-2566[14]ShenW.,ShaoX.G.,CaiW.S.,Chem.J.ChineseUniversities,2021,37〔10〕,1809-1816〔沈文，邵學(xué)廣，蔡文生。高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2021,37〔10〕,1809-1816〕[15]FuH.H.,ShaoX.G.,ChipotC.,CaiW.S.,J.Chem.TheoryComput.,2021,12〔8〕,3506-3513[16]Acosta-ReyesF.J.,SubiranaJ.A.,PousJ.,Snchez-GiraldoR.,CondomN.,BaldiniR.,MalininaL.,CamposJ.L.,Biopolymers,2021,103〔3〕,123-133[17]TimsitY.,MorasD.,EMBOJ.,1994,13〔12〕,2737[18