由DNA介导的别构效应相关理论与模型研究

Protein allostery plays a central role for protein functioning and cellular gene regulation.While extensive studies have been done on allostery in proteins or enzymes since 1960s', less is known for that through DNA, which is normally considered as a mere template providing binding sites. Recently, we reported that specific binding of a protein on DNA is significantly stabilized or destabilized by another protein bound nearby. The ternary complex's free energy oscillates as a function of the separation between the two proteins with a periodicity of ~10 base pairs, the helical pitch of B-form DNA, and a decay length of ~15 base pairs.Same phenomenon occurs also in vivo, illustrating another level of complexity of gene regulation. It is a special proterty only for short-piece of DNA, whose theoretical analysis is still limited yet. Hence we would like to apply several different kinds of coarse-grained dynamic models to carefully investigate DNA allostery, including spatial correlation of the free DNA fluctuation, the propagation of local distortion along the DNA, the phase transition induced by binding of histone.We wish to uncover the mechanism of DNA allostery.

蛋白质别构效应对于蛋白质功能的发挥以及细胞内基因调控等重要生物化学过程的实现，都起着非常核心的作用。从上世纪六十年代开始，蛋白质的别构效应无论是从实验上还是理论上，都得到了广泛而深入的研究；但是至今人们对于由DNA介导的别构效应还没有十分清晰的认识。最近我们与实验学家合作，利用先进的单分子技术，详细研究了由DNA介导的别构效应，发现该效应随着与DNA结合的两个蛋白质分子之间的距离而呈现一种阻尼振荡的现象；该现象在体外和体内的实验中均被观测到，揭示了基因调控中的又一层复杂性。这是只有长度为几十个碱基对的DNA短链才具有的特殊性质，但是对于这类DNA链的理论和模型研究还十分有限。因此，我们希望可以利用若干种粗粒化动力学模型详细研究DNA短链所介导的别构效应，包括DNA链自然涨落的空间相关性，局部形变沿DNA链的传播，由组蛋白分子与DNA链结合而引起的相变现象等，希望进一步揭示其机制。

我们和北京大学高毅勤教授组合作，利用分子动力学模拟细致研究了DNA短程结构的相关性，特别是各重要结构参数随着DNA大沟之间距离变化的相关系数是否有阻尼振荡的行为，及其与DNA别构效应的关系。同时我们也尝试建立粗粒化模型来研究这种DNA别构效应，并进行了初步的数值模拟。然后我们微调了研究计划，和哈佛大学谢晓亮教授组合作，利用粗粒化模型研究了酶蛋白的别构效应(构象变化)是如何使得催化反应的过渡态势垒显著降低的，特别是其DNA构象从开状态弛豫到新的构象(闭状态)过程中，dNTP中相应的化学键长度是如何被拉伸的。这个过程是分子动力学模拟的时间尺度暂时还达不到的。我们发现只有教科书里所描述的DNA复制过程中dNTP内部必须断裂的几个化学键的长度被自然拉长了，而与此同时，过渡态的能量势垒也被显著降低了。这项研究表明，酶蛋白的别构效应和催化反应是完全耦合在一起的，在此过程中纯力学的拉伸作用已经可以将过渡态势垒大大降低了，再加上适当的静电作用，最终过渡态势垒就可以进一步被降低，最终导致催化反应的发生速率急剧增加。