Структурні зміни ДНК, зумовлені взаємозв’язком компонент деформації макромолекули

Автор(и)

  • P.P. Kanevska Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • S.N. Volkov Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.7.565

Ключові слова:

механiка ДНК, зв’язок кручення–розтяг, внутрiшня конформацiя, пов’язанi деформацiї, силовий вiдгук

Анотація

Запропоновано модель деформації макромолекули ДНК, яка враховує зовнішні та внутрішню компоненти деформації, а також їхній взаємозв’язок. Зовнішні компоненти описують кручення й розтяг подвійної спіралі. Внутрішня компонента пов’язана з відносними зміщеннями структурних елементів у межах пар основ. Враховано зв’язок як кручення, так і розтягу з внутрішньою компонентою. Отримано неочікуваний результат: під дією розтягувальної сили подвійна спіраль ДНК може збільшувати ступінь закручування. Така аномальна поведінка зберігається доки сила не досягне деякої критичної величини, вище якої реалізується звичайний режим розкручування. Показано, що механіка ДНК у діапазоні сил порядку пН істотно визначається взаємозв’язком між зовнішньою деформацією та внутрішньою конформаційною рухливістю. Нетиповий механічний відгук є результатом впливу конформаційного стану на деформацію через зв’язок компонент, причому конформаційна компонента в межах відповідного діапазону сил залишається в локальному мінімумі.

Посилання

1. W. Saenger. Principles of Nucleic Acid Structure (Springer, 1984), pp. 200-241.

https://doi.org/10.1007/978-1-4612-5190-3

2. H.G. Garcia, P. Grayson, L. Han, M. Inamdar, J. Kondev, R. Nelson, M.C. Phillips, J. Widom, P.A. Wiggins. Biological consequences of tightly bent DNA: The other life of a macromolecular celebrity. Biopolymers 85, 115 (2007).

https://doi.org/10.1002/bip.20627

3. R.E. Dickerson, T.K. Chiu. Helix bending as a factor in protein/DNA recognition. Biopolymers 44, 361 (1997).

https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0282(1997)44:4<361::AID-BIP4>3.0.CO;2-X

4. C. Prévost, M. Takahashi, R. Lavery. Deforming DNA: From physics to biology. Chem. Phys. Chem. 10, 1399 (2009).

https://doi.org/10.1002/cphc.200900253

5. J.A. Schellman. Flexibility of DNA. Biopolymers 13, 217 (1974).

https://doi.org/10.1002/bip.1974.360130115

6. J.F. Marko, E.D. Siggia. Stretching DNA. Macromolecules 28, 8759 (1995).

https://doi.org/10.1021/ma00130a008

7. S.B. Smith, Y. Cui, C. Bustamante. Overstretching B-DNA: The elastic response of individual double-stranded and single-stranded DNA molecules. Science 271, 795 (1996).

https://doi.org/10.1126/science.271.5250.795

8. T. Lionnet, S. Joubaud, R. Lavery, D. Bensimon, V. Croquette. Wringing out DNA. Phys. Rev. Lett. 96, 178102 (2006).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.178102

9. J. Gore, Z. Bryant, M. Nöllmann, M.U. Le, N.R. Cozzarelli, C. Bustamante. DNA overwinds when stretched. Nature 442, 836 (2006).

https://doi.org/10.1038/nature04974

10. P. Gross, N. Laurens, L.B. Oddershede, U. Bockelmann, E.J.G. Peterman, G.J.L. Wuite. Quantifying how DNA stretches, melts and changes twist under tension. Nature Phys. 7, 731 (2011).

https://doi.org/10.1038/nphys2002

11. S.N. Volkov. Modeling B-A transformations of DNA double helix. J. Biol. Phys. 31, 323 (2005).

https://doi.org/10.1007/s10867-005-1284-3

12. P.P. Kanevska, S.N. Volkov. Intrinsically induced deformation of a DNA macromolecule. Ukr. J. Phys. 51, 1003 (2006).

13. S.N. Volkov. Understanding the mechanism of DNA threshold elongation. Low Temp. Phys. 44, 893 (2018).

https://doi.org/10.1063/1.5041437

14. P.P. Kanevska, S.N. Volkov. Conformation impact in the deformation of DNA TATA-box. Low Temp. Phys. 48, 311 (2022).

https://doi.org/10.1063/10.0009735

15. K. Liebl, T. Drsata, F. Lankas, J. Lipfert, M. Zacharias. Explaining the striking difference in twist-stretch coupling between DNA and RNA: A comparative molecular dynamics analysis. Nucleic Acids Res. 43, 10143 (2015).

https://doi.org/10.1093/nar/gkv1028

16. L. Bao, X. Zhang, Y.-Z. Shi, Y.-Y. Wu, Z.-J. Tan. Understanding the relative flexibility of RNA and DNA duplexes: Stretching and twist-stretch coupling. Biophys. J. 112, 1094 (2017).

https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.02.022

17. Y.-T. Chen, H. Yang, J.-W. Chu. Structure-mechanics statistical learning unravels the linkage between local rigidity and global flexibility in nucleic acids. Chem. Sci. 11, 4969 (2020).

18. H. Dohnalová, F. Lankaš. Deciphering the mechanical properties of B-DNA duplex. WIREs Comput. Mol. Sci. 12, e1575 (2022).

https://doi.org/10.1002/wcms.1575

19. S. Assenza, R. Pérez. Accurate sequence-dependent coarse-grained model for conformational and elastic properties of double-stranded DNA. J. Chem. Theory Comput. 18, 3239 (2022).

https://doi.org/10.1021/acs.jctc.2c00138

20. Y. Zhang, L. He, S. Li. Temperature dependence of DNA elasticity: An all-atom molecular dynamics simulation study. J. Chem. Phys. 158, 094902 (2023).

https://doi.org/10.1063/5.0138940

21. O.D. Broekmans, G.A. King, G.J. Stephens, G.J.L. Wuite. DNA twist stability changes with magnesium(2+) concentration. Phys. Rev. Lett. 116, 258102 (2016).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.258102

22. R.E. Dickerson. Definitions and nomenclature of nucleic acid structure parameters. J. Biomol. Struct. Dyn. 6, 627 (1989).

https://doi.org/10.1080/07391102.1989.10507726

23. P.J. Hagerman. Flexibility of DNA. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 17, 265 (1988).

https://doi.org/10.1146/annurev.bb.17.060188.001405

24. A. Matsumoto, W.K. Olson. Sequence-dependent motions of DNA: A normal mode analysis at the base-pair level. Biophys. J. 83, 22 (2002).

25. M.S. Shukla, B. Hoshika, S.A. Benner, M.M. Georgiadis. Crystal structures of "ALternative Isoinformational ENgineered" DNA in B-form. Philos. Trans. R. Soc. B 378, 20220028 (2023).

https://doi.org/10.1098/rstb.2022.0028

Завантаження

Опубліковано

2026-06-11

Номер

Том 71 № 7 (2026)

Розділ

Фізика рідин та рідинних систем, біофізика і медична фізика

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Структурні зміни ДНК, зумовлені взаємозв’язком компонент деформації макромолекули. (2026). Український фізичний журнал, 71(7), 565. https://doi.org/10.15407/ujpe71.7.565