碱基对在DNA双螺旋链上分离的自由能计算

摘要

DNA是大部分生物包括病毒的基因载体.DNA双螺旋链通过A=T和G≡C两种碱基对编码实现对遗传信息的存储.碱基对中的相互作用对DNA双螺旋链的稳定性起到重要作用,直接关系到基因的复制和转录.当前研究中,我们构建了四组不同结构的DNA双螺旋链,进行了总共4.3 μs的分子动力学模拟.通过伞形取样技术计算了DNA双螺旋链中碱基对分离的自由能曲线,并从分子尺度细节和相互作用能对自由能曲线进行解析.在碱基对G≡C的自由能曲线(PMF-PGC)上观察到三个峰,通过监测氢键数目的变化发现分别对应于G≡C三个氢键的断裂;而在A=T的自由能曲线(PMF-PAT)上只出现一个峰,说明A=T的两个氢键在分离过程中几乎同时断裂.PMF-PGC的总能垒比PMF-PAT高,主要是因为G≡C比A=T多一个氢键,更稳定.两条曲线的后段自由能仍然升高,而此时碱基对的氢键已断裂,这是DNA链骨架刚性所导致.我们还研究了碱基对稳定性受相邻碱基对的影响,发现邻近G≡C碱基对会增强A=T的稳定性,C≡G会削弱A=T的稳定性,T=A对A=T的影响较小.