Investigation of energetics and mechanistic pathways in the rotation of a nicked DNA

Abstract

Kesik bir DNA molekülünün dönme serbestlik derecesi, pek çok hücresel işlemlerde ve protein-DNA etkileşimlerinde önemlidir. Böyle kesik bir DNA'nın dönmesi, özellikle DNA'nın human topoizomeraz I ile relaksasyonunda çok önemlidir.Bu nedenle, force-field potansiyelleri üzerine kurulu Moleküler Dinamik metodlar uygulanarak DNA'nın kesik olmayan zinciri etrafında dönmesi esnasındaki dinamik mekanizma simule edildi.. DNA atomlarının büyük ölçekli hareketlerini anlayabilmek için, Half Quadratic Biased Molecular Dynamics (HQBMD) olarak bilinen yeni bir teknik kullandık. Her iki yönde (negatif ve pozitif süpercoili azaltmaya karşılık gelen, saat yönü ve saat yönünün tersine) dönmeler gerçekleştirildi. Bu çalışmada, elli farklı simulasyon gerçekleştirildi. DNA'nın alt kısmını döndürerek (bir science makalesinde ileri sürüldüğü gibi, referans 5 ve 8'e bakın), özellikle DNA'nın kesik kısmındaki yapısal ve enerjik değişikliklere odaklandık. Elde ettiğimiz sonuçlar literatürdeki kanonik B-DNA üzerine yapılan çalışmalar ile karşılaştırıldı.Bu elli farklı simulasyon sonucu elde edilen dataların detaylı yorumları sonucu, kesik bir DNA molekülünün dönmesi için en uygun eksenler önerildi. Pozitif ve negatif süpercoil olmuş DNA için farklı dönme eksenleri bulunarak ileri sürülen DNA dönmeleri, süpercoil olmuş bir DNA ile enzimin relaksasyon mekanizmasına yeni bakış açısı getirebilir. Ayrıca, DNA'nın alt kısmının saat yönünün tersine bir kez dönmesi DNA'nın kanonik formuna dönmesi için yeterli olmasına rağmen, DNA'nın başlangıç yapısına dönebilmesi için saat yönünde en azından iki dönüş gerekli olduğunu öne sürdük. Sonuç kısmında özetlendiği gibi, ekstra yeni bulgular gözlendi. Literatürdeki kapsamlı çalışmaların sadece kesilmemiş DNA üzerine olmasına rağmen bu çalışma, kesik bir DNA molekülü üzerinde yapılan ilk çalışmadır.

Rotational degree of freedom of a nicked DNA molecule is important in many cellular processes and in DNA-protein interactions. The rotation of such a nicked DNA is especially crucial in the relaxation of supercoiled DNA by human topoisomerase I.Therefore, the dynamic mechanism of a nicked DNA rotation about the its intact strand has been simulated using Molecular Dynamic (MD) method based on the force-field potentials. In order to see large scale movement of DNA atoms, we employ a novel technique known as the Half Quadratic Biased Molecular Dynamics (HQBMD). Rotations in both directions (clockwise and anti-clockwise, that correspond relaxation of negative and positive supercoils respectively) have been performed. Fifty different simulations have been carried out in the present study. As we rotate the downstream part of the DNA (as suggested by a science paper, see reference 5 and 8), we focused on the structural and energetic changes, especially in the nicked region of the DNA. The results we obtained have been compared with the literature studies on the canonic B-DNA.As a result of a detail discussion on the data produced out of these fifty different simulations, we have proposed the most favorable axes for the rotation of a nicked DNA molecule. The proposed DNA rotations should yield new perspectives in the relaxation mechanism of a supercoiled DNA within the enzyme, as we found different axis of rotations for positive and negative supercoiled DNAs. Also, we propose here that although a single anti-clockwise DNA downstream rotation is enough to bring DNA to the canonical form, at least two clockwise DNA rotations are needed to bring DNA to its initial structure. Additional new insights have been observed, as summarized in the conclusion part. The current study presents the first report of the data on a nicked DNA molecule while extensive literature studies exist for only intact DNA.