Simulation der Strukturbildung und Ligandenbindung von Nukleinsäuren im Raum kollektiver und innerer Variablen

Abstract

Ein im Raum kollektiver und innerer Variablen definierter Monte- Carlo(MC)-Algorithmus für Nukleinsäuren wird vorgestellt und erstmals angewendet. Mit diesem MC-Algorithmus gewonnene Resultate über die Sequenzspezifität der Konformation und Flexibilität von Nukleinsäure-Dekameren und Methylenblau(MB)- DNA-Komplexen werden diskutiert. Die Leistungsfähigkeit des Algorithmus wird durch Untersuchungen der Equilibrierung und der Abhängigkeit von der Startkonfiguration der MC-Simulationen bewertet. Ergänzt werden die MC-Simulationen durch Energieminimierungen von MB-DNA-Komplexen und Energiebewertungen der Konformationen dieser Komplexe durch eine Kontinuumsbehandlung elektrostatischer Lösungsmitteleffekte. Die Equilibrierung der MC-Simulationen in einer respektablen Zeit wird auf der Grundlage mittlerer Energien und mittlerer struktureller Parameter bewertet. Die Resultate der MC-Simulationen können als unabhängig von der Startkonfiguration betrachtet werden. Die Mittelwerte und Fluktuationen struktureller Parameter zeigen eine unterschiedlich stark ausgeprägte Sequenzspezifität. Neben den Konformationen der Nukleinsäuren werden die Bewegungen der expliziten Gegenionen statistisch analysiert. Die höhere Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ionen in der Umgebung der Dekamere entspricht qualitativ der erwarteten Kondensation expliziter Gegenionen an der DNA-Oberfläche. Für die medizinisch bedeutsame Methylenblau-DNA-Bindung werden durch Energieminimierung MB-DNA-Komplexe generiert, die die jeweils energetisch bevorzugte Bindung in den drei möglichen Bindungsmodi repräsentieren. Bei der Auswahl der MB-DNA-Komplexe nach dem Kriterium niedrigster Energie wurden elektrostatische Lösungsmitteleffekte durch eine Kontinuumsbehandlung mit der FDPB-Methode berücksichtigt. Salzeffekte der MB- DNA-Bindung werden durch Abschätzung von Bindungsenergien der Komplexe untersucht. MC-Simulationen der MB-DNA-Komplexe ermöglichen erstmals detaillierte Erkenntnisse über die Dynamik und Flexibilität einer DNA- Liganden-Bindung. In dem MC-Algorithmus werden die Bewegungen des Liganden relativ zur Target-DNA durch kollektive und innere MC-Variablen des MB beschrieben. Die symmetrischen und gauche Interkalationen des MB erweisen sich in den MC-Simulationen als stabil. Die Zuckerfaltungen der der Interkalationstasche benachbarten Nukleotide zeigen eine Sequenzspezifität für Interkalationen in YpR- und RpY-Basenschritte. Bei einer Bindung des MB in der kleinen Furche des AT alternierenden Dekamers ereignen sich wiederholte Übergänge zwischen alternativen Bindungsstellen. Die diskreten Bindungsstellen werden durch eine Orientierung des MB mit aus der Furche weisenden Methylgruppen und jeweils in der Ebene eines Basenpaares liegendem Schwefel- und zentralem Stickstoffatom charakterisiert. Die MC-Simulationen der MB-DNA- Komplexe identifizieren stabile Bindungszustände, beschreiben Übergänge zwischen alternativen Bindungsstellen des MB und eine Sequenzspezifität der durch die Bindung des MB verursachten Deformationen der Target-Nukleinsäuren. Die Resultate über die Flexibilität der MB-DNA-Komplexe tragen zum Verständnis der Ursachen und der Entstehung der Bindung bei. Die Daten ermöglichen zudem eine detailliertere Interpretation experimenteller Untersuchungen.

A Monte Carlo (MC) algorithm for nucleic acids, defined in the space of collective and internal variables, is presented. First results on sequence- specific conformation and flexibility of nucleic acid decamers and methylene blue (MB)-DNA complexes are discussed. The performance and efficiency of the MC algorithm was investigated by analyzing the equilibration of the systems and the effects of the starting configurations on the simulation results. The MC studies are complemented by energy minimizations of MB-DNA complexes and by evaluating the energy of these complexes using a continuum treatment of solvent electrostatic effects. Equilibrations of the MC simulations are assessed on the basis of averaged energy and structural parameters. It is shown that the results of MC simulations do not depend on starting configuration. The average values and fluctuations of structural parameters show a different sequence-specificity. The movements of the explicit counterions have been also analyzed statistically. The higher occupancy of ions in the surrounding of the decamers fits qualitatively with the expected counterion condensation at the DNA surface. Results on the medically important methylene blue (MB)-DNA binding, obtained by energy minimizations, are discussed. Lowest-energy MB-DNA complex structures, representing the three different binding modes, were derived. The MB-DNA complexes were selected following the criterion of lowest total energy, taking into account electrostatic solvent effects by a continuum treatment using the FDPB method. Salt effects on the MB-DNA binding have been studied by estimating the binding energy as a function of monovalent salt concentration. MC simulations of MB- DNA complexes result in data that allow for the first time a thorough understanding of the dynamical properties of DNA-ligand binding. In addition to the degrees of freedom of flexible DNA, the MC algorithm uses collective and internal variables for describing the ligand movement relative to the target-DNA. The results of MC simulations show that both the symmetric and the gauche intercalations are stable. The position and orientation of MB in the intercalation pocket are less variable in the case of a symmetric intercalation compared to a gauche intercalation. Sugar puckering modes of the nucleotides flanking the intercalation site are shown to be sequence-specific as they differ for intercalations at 5'-YpR-3' and 5'-RpY-3' sites. Minor groove binding of MB to the AT alternating decamer shows frequent transitions between alternative binding sites. The discrete binding sites of MB are characterized by the methyl groups facing outside the minor groove and by the sulfur and the central nitrogen atom of MB lying approximately within a base- pair plane. The MC simulations of MB-DNA complexes identify stable binding states. They describe transitions between alternative binding sites of MB and sequence-specific deformations of the target nucleic acids upon MB binding. The results on the flexibility of MB-DNA complexes contribute to a deeper understanding of ligand binding and could assist in detailed interpretation of experimental data.