Molecular dynamics simulation studies on the entropic effects of DNA in crowded environments: All-atom and coarse-grained models

Abstract

DNA는 생명체게 필요한 모든 데이터를 가지고 있는 저장 매체이다. 이 데이터가 매우 크기 때문에 DNA는 세포에 비해 매우 긴 길이를 가진다. 따라서, 이것을 세포에 저장하기 위해서는 DNA가 고차원적으로 접혀야 한다. NAP 라고 불리는 단백질이나 히스톤 단백질, 뿐만 아니라 세포 안의 복잡한 환경도 이 접힘 과정에 영향을 주게 된다. 이 논문에서는 다양한 길이 수준에서 분자 동역학 전산모사를 사용하여 주위 환경 혹은 단백질이 DNA 에 주는 영향을 밝힌다.

가장 작은 길이 수준의 연구로, IHF 라는 단백질이 DNA 를 꺾는 과정을 원자 수준의 분자 동역학 전산 모사를 사용하여 관찰하였다. IHF 는 원핵 생물에 존재하는 NAP 의 종류 중 하나로, DNA 의 특정 부분을 꺾음으로써 전사 인자처럼 행동한다. 이 과정은 서로 붙는 것과 DNA 가 꺾이는 것 두 단계로 일어난다고 알려져 있다. 이 결과를 따라, 짧고 많은 붙는 과정과 긴 꺾는 과정 전산모사를 통해 탐구하였다. 우리는 X-ray 결정 구조와 비슷한 붙음 상태만이 꺾는 과정으로 진행되는 것을 알 수 있었으며 이 과정에서 IHF 의 팔과 비슷한 부분의 요동과 아르기닌이 DNA 에 붙는 과정이 필요함을 알아냈다.

조금 더 큰 길이 수준에서, 크게 나눔 모형을 이용하여 뉴클레오솜 뭉치 모형 사이의 고갈 효과를 알아보았다. 고갈 효과는 복잡한 환경 안에 있는 콜로이드 사이에 작용하는 엔트로피로부터 비롯된 인력이다. 이 효과가 DNA 사이에서 어떻게 일어나는지 모기 위해, 실제적인 농도를 사용하여 이질 염색질과 진정 염색질 뭉치 모형을 만들었다. 뭉치들 사이의 고갈 효과는 제한된 분자 동역학 전산모사와 몬테 카를로 전산 모사를 통해 알아보았다. 고갈효과는 딱딱한 표면을 가지는 이질 염색질 모형 사이에서만 관찰되었고, 이것이 뭉치끼리 서로 모이는 데 영향을 줄 것으로 예상한다.

가장 큰 길이 수준에서, 크게 나눔 모형을 이용하여 뉴클리어 바디가 자라는 과정도 관찰하였다. 뉴클리어 바디는 RNA 와 단백질이 모여 있는 것으로 전사 과정을 촉진하기 위해 세포 분열 주기에 따라 나타나거나 사라진다. 뉴클리어 바디가 자라는 과정을 레너드-존스 입자들이 상전이 하는 과정으로 빗대어 나타내었다. 상전이 과정을 DNA 의 모형인 긴 중합체와 함께 관찰함으로써 DNA 가 어떠한 영향을 주는지 탐구하였다. 레너드-존스 입자를 잘 끌어당기는 중합체가 상전이 현상을 도와주는 것을 관찰하였는데, 이것으로 뉴클리어 바디의 구성입자와 DNA 의 상호작용이 뉴클리어 바디가 어디서 자라는지 영향을 줄 수 있을 것으로 예상한다.