转录因子与DNA特异性识别机制的分子动力学模拟研究

论文摘要

转录因子如何在数十亿的碱基中找到并结合特异性位点,是转录调控和生物医学领域研究的热点和难点。研究表明转录因子与特异性序列的结合可以从两个方面理解:一是热力学的角度,即特异性由转录因子结合DNA特定位点的相对结合自由能决定。二是动力学的角度,即特异性与动态搜索过程中瞬态复合物的动力学性质相关。从热力学角度出发,转录因子与DNA结合的研究较为深入,影响因素主要包括静电、氢键、疏水相互作用等,同时DNA形状也具有重要影响。从动力学角度出发的相关研究较少,对于转录因子与DNA结合的动态调控机制也知之甚少。本论文以转录因子与DNA的特异性结合机制为科学问题,采用分子动力学模拟和生物信息学方法,分别从热力学和动力学两个角度研究转录因子与DNA的特异性识别机制。论文研究内容主要包括三个方面:一是采用分子动力学模拟方法研究单核苷酸多态性对转录因子与DNA相互作用的影响。二是构建了碱基堆积力矩阵,研究碱基堆积力在转录因子-DNA相互作用中的重要作用,并用于预测转录因子特异性结合位点。三是构建新的转录因子一维滑动模型,研究转录因子与DNA的动态识别机制。本文通过动力学模拟揭示单核苷酸多态性（SNP）通过别构效应影响蛋白质结合DNA的机制,同时自由能计算与实验结果保持一致。结果显示突变位点影响DNA骨架的结构,并且大沟的改变导致氢键互作网络的改变。这种长程相互作用揭示SNP可以通过氢键互作网络转移影响。本文通过将SNP与3-mer堆积力矩阵互相联系,用于理解堆积力在转录因子-DNA中的作用,结果表明堆积力自由能变化大的SNPs导致表型变异的概率大,而动力学模拟结果显示随着堆积力的增加,DNA的结构趋近于自由DNA,进而会影响到转录因子-DNA相互作用,导致MEIS1转录因子与DNA的亲和力升高。另外,使用堆积力自由能构建的定量模型揭示了堆积力自由能可以用于预测转录因子结合能力。在转录因子一维滑动模型中的PMF结果表明MEIS1转录因子沿着大沟滑动而不是沿着线性滑动。蛋白质在DNA链上的一维扩散加快了对目标序列的识别,在此过程中蛋白质与非特异性DNA结合较为松散。马尔可夫状态分析表明模拟的结果与理论一致证明了DNA结构在滑动过程中起着重要作用。本文根据MD结果推断出MEIS1转录因子在DNA上的特异性和非特异性1D滑动长度。MEIS1转录因子在DNA扫描过程中的不对称动力学和DNA结构变化对解决速度稳定性悖论具有重要作用。这项工作提供了MEIS1转录因子如何通过快速扫描DNA找到目标位点的结构、动态和动力学信息。总体来说,本论文结合生物信息学和结构生物学的知识,提供了SNP对转录因子-DNA相互作用的影响以及SNP和表型变异之间关系的新理解。并且,3-mer堆积力自由能矩阵可用于SNP的高通量筛选和预测转录因子-DNA结合亲和力。我们的动态模型揭示转录因子在搜索过程中的特异性识别和非特异性识别的转换机制。这一机制对于在其他蛋白质存在的情况下进行搜索具有重要的生物学意义,并为解释蛋白质-DNA相互作用的实验和结构数据提供了一个新的框架。

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摘要

Abstract

缩略词表

第一章转录因子与DNA相互作用机制研究进展

1.1 TF与 DNA相互作用机制

1.1.1 直接识别机制

1.1.2 间接识别机制

1.1.3 碱基识别机制

1.1.4 形状识别机制

1.1.5 蛋白质-DNA特异性识别现阶段的问题

1.2 DNA结合位点和蛋白质-DNA结合特异性的预测

1.2.1 预测复合物的结合位点

1.2.2 预测复合物的亲和力以及突变对亲和力的影响

1.2.3 使用动力学模拟研究蛋白质-DNA相互作用

1.3 蛋白质-DNA复合物的动态识别机理

1.3.1 蛋白质识别特异性结合位点的模型

1.3.2 转录因子1D滑动的实验与理论模型

第二章 SNP位点对MEIS1与DNA结合的别构调控机制研究

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.2.1 野生型和突变型的模型构建

2.2.2 分子动力学模拟

2.2.3 RMSD分析

2.2.4 自由能计算

2.2.5 氢键分析

2.2.6 DNA的构象分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 MEIS1-DNA的结构变化

2.3.2 SNP对结合自由能的影响

2.3.3 SNP与堆积力之间的关系

2.3.4 氢键互作网络的改变

2.3.5 MEIS1和DNA之间的诱导契合机制

2.4 结论

第三章基于SNP对3-mer堆积力矩阵的影响预测转录因子的结合特异性

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.13 -mer堆积力自由能矩阵的构建

3.2.2 建立SNP与对应的表型变异数据集

3.2.3 建立高精度TF-DNA复合物晶体结构和统计JASPAR数据库

3.2.4 动力学模拟参数

3.2.5 转录因子亲和力预测模型

3.3 结果与讨论

3.3.1 3-mer堆积力自由能矩阵的建立

3.3.2 高精度晶体结构中DNA参数分析

3.3.3 3-mer堆积力自由能差异矩阵和表型变异之间的关系

3.3.4 堆积力和TF-DNA相互作用之间的关系

3.3.5 基于堆积力的TF亲和力定量模型

3.4 结论

第四章 MEIS1 转录因子与DNA相互作用的一维滑动模型

4.1 引言

4.2 方法与材料

4.2.1 动力学模拟所需模型的构建

4.2.2 分子动力学模拟

4.2.3 线性扩散的拉伸动力学模拟

4.2.4 沿着大沟滑动的TMD动力学模拟

4.2.5 1D扩散的PMF

4.2.6 轨迹的马尔科夫态分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 MEIS1 转录因子和长链DNA之间的原子级相互作用

4.3.2 MEIS11D滑动的PMF

4.3.3 线性扩散和旋转扩散的马尔科夫态

4.3.4 MEIS1 的一维扩散系数与滑动距离

4.3.5 搜索状态和结合状态的运动模式

4.4 结论

总结与展望

参考文献

附录 A 论文发表情况

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李根

导师: 高军

关键词: 蛋白质,单核苷酸多态性,堆积力,预测模型,转录因子一维滑动

来源: 华中农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 华中农业大学

分类号: Q811.4

DOI: 10.27158/d.cnki.ghznu.2019.000168

总页数: 134

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转录因子与DNA特异性识别机制的分子动力学模拟研究

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