МЕХАН ІЗМИ ЗНАЧНИХ ДЕФОРМАЦІЙ В МАКРОМОЛЕКУЛІ ДНК

1. Міжнародна конференція молодих вчених"Сучасні проблеми теоретичної фізики"Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України21-23 грудня 2011 року П.П. Канєвська , C.Н.Волков Інститут теоретичної фізики ім.М.М. Боголюбова НАН України03143, Київ, вул. Метрологічна, 14б МЕХАНІЗМИ ЗНАЧНИХ ДЕФОРМАЦІЙ В МАКРОМОЛЕКУЛІ ДНК

2. Макромолекула ДНК D~ 2 nm. h ~ 0.3nm. L~ 105– 107bp (b.p. - пар основ). D Цукрове кільце h ДНК – поліморфна макромолекула основа вода и іони Z-форма A-форма В-форма С-форма 66% вологість в присутності двовалентних іонів 75 % вологість http://x3dna.org

3. Згинання ДНК в біологічно важливих процесах ~10 nm ~8,5 nm ~2 nm Пакування ДНК в нуклеосомі Згинаня ТАТА-боксу ДНК Формування петель в процесі транскрипції

4. Персистентна довжина – характерний параметр макромолекули Чим меншаперсистентна довжина, тим більша гнучкість Чим більша персистентна довжина, тим менша гнучкість L~μm - cm Podgornik, Nature Nanotechnology, 2006 Модель пружних деформацій (WLC, elastic rod) n+1 n n-1 h Деформації -малі Maxim D. Frank-Kamenetskii, Coments Mol.&Cell Biolo. 1981

5. Внутрішньо індукована деформація Crothers D.M. etal., 1990 Minireview: Intrinsically Bent DNA Exploring polymorphisms in B-DNA helical conformations Nucleic Acids Res. 2012 November;40(21):10668-10678. Dans PD, Pérez A,  FaustinoI, Lavery R, Orozco M. (2012)

6. 1. Cloutier T.E. and Widom J. (2004) Spontaneous Sharp Bending of Double-Stranded DNA Molecular Cell14, 355–362. 2. Wiggins P.A., Van der Heijden T., Moreno-Herrero F., Spakowitz A., Phillips R., Widom J., Dekker C. and Nelson P.C. (2006) High flexibility of DNA on short length scales probed by atomic force microscopy. Nature Nanotechnology 1, 137-141. 3. Filip Lankaš, Richard Lavery, John H. Maddocks (2006)Kinking Occurs during Molecular Dynamics Simulations of Small DNA Minicircles Structure 14, Issue 10, Pages 1527–1534. 4. Reza Vafabakhsh,Taekjip Ha (2012)Extreme Bendability of DNA Less than 100 Base Pairs Long Revealed by Single-Molecule Cyclization. Science 31 August 2012: Vol. 337 no. 6098 pp. 1097-1101

7. Великі деформації потребують врахування нелінійних ефектів Наступні члени розкладу енергії по деформації Alexander Vologodskii, Maxim D. Frank-Kamenetskii (2013) Взаємозв’язок між компонентами R.Lavery, J.F. Marko, W. Olson, P.C. Nelson, K. Zakrzewska (2005-2013) Поліморфізм ДНК WLC компоненти Конформаційна бістабільність Взаємозв’язки міжкомпонентами Volkov(2005) + + Волков, Канєвська (2006) 1. Роль взаємозв’язку між компонентами WLC 2. Ефекти зв’язування конформаційної компоненти зі згинанням 3. Умови виникнення внутрішньо-індукованої деформації

8. МОДЕЛЮВАННЯ ВНУТРІШНЬОІНДУКОВАНОГО ДЕФОРМУВАННЯ ДНК Площина пари б) U13<<U2(Ri(n+1)-Ri(n)) H-bond

9. Роль взаємозв’язку між компонентами • Кручення та згинання WLC компоненти + Взаємозв’язок міжкомпонентами УМОВА ВИНИКНЕННЯ ЦИКЛА N . Ефект: зсув основного стану

10. 2. Ефекти звязування внутрішньої компонентиз зовнішніми компонентами 1 WLC компонента Конформаційний потенціал + + Взаємозв’язок 1

11. Умова реалізації конформаційно-індукованої деформації 1 WLC компонента Конформаційна рухливість і потенціал + + Взаємозв’язок

12. Можливість реалізації умови виникнення внутрішньо-індукованої деформації kG G qG MCB 201 Gene Expression - Spring Semester 2003 Lecture 19 (Chapter 11, Transcriptional Control of Gene Expression cont.)

13. 3.Ефекти звязування внутрішньої компоненти з різними зовнішніми компонентами 3 WLC компонента Конформаційна рухливість і потенціал + + Взаємозв’язки For uniform strand Враховуючи анізотропію Energy-wise preferred Bistability

14. Енергія згинання в залежності від величинаи жорсткості Изгиб+конформация +кручение +анизотропия

15. Висновки Внутрішньо-індукований механізм деформації є вирішальним в утворенні аномально великих деформацій Взаємозв’язок між різними компонентами деформації пружнього стержняне не призводить до виникнення аномальних деформацій Розвинутий підхід дозволяє пояснити ефекти аномального деформування коротких фрагментів ДНК

16. Дякую за увагу!

17. модель свободносочлененной цепи (FJC) b=2Р L~μm - cm P=50nm модель червеобразной цепи (WLC) Рисунки: Richard Berry is a University Lecturer in the Physics Department at Oxford University.

18. Spontaneous Sharp Bending of Double-Stranded DNA J-фактор (Juxtaposition probability (Jcirclein Mol/litre)) Molecular dynamics simulations ofa 94 base pair minicircle in explicit solvent with two differentlinking numbers,suggest that sharp kinks can indeed arisein small minicircles. (Cloutier, Widom,2004) Structure 14, 1527–1534, October 2006

19. Значна гнучкість ДНК на коротких довжинах виявлена за допомогою AFM (Paul A. Wiggins,et.al,Nature Nanotechnology (2006)1(2), 137.) 8 -lnG( ;5 nm) 4 100 nm 0 0,5 1 1,5

20. A fluorescence-based, protein-free assay for studying the cyclization of single DNA molecules in real time Reza Vafabakhsh,Taekjip Ha (2012) University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana Measured j factor for surface-tethered DNA (black squares) and vesicle-encapsulated DNA (red squares). Solid black curve is the Shimada-Yamakawa prediction for DNA cyclization. Dashed line and dotted line are the WLC predictions for the j factor of DNA circles with free boundary condition and for DNA molecules with 5-nm capture radius, respectively. Error bars indicate ± SEMn ≥ 3.

21. Згинання індуковані В-А переходом W.Olson (2006)

22. Внутрішньоіндукована деформація 1) В-А рівноваги 2) Гетерономної конформації x С2’endo x2 150 C3’endo x0 0 Burley et al. W.Olson, JMB,2000. Biophys. Bul. Kanevska, Volkov.- 2003 J.Biol.Phys.,Volkov, 2005.

23. Умови виникнення внутрішньоіндукованої деформації Energy-wise preferred Bistability Канєвська П.П., Волков С.Н. Укр. Фіз.Журнал 2006 Mechanism of DNA bending L James Maher III, Chem. Biol, 1998,2

24. Кількість солітонів в замкнутому ланцюжку розраховано за формулою: