vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-473Research ArticleМолекулярная биологияMolecular biologyИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ ПРОЦЕССА ОТВОРАЧИВАНИЯ ДНК ОТ ГИСТОНОВОГО ЯДРА НУКЛЕОСОМЫ МЕТОДАМИ МОЛЕКУЛЯРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯINVESTIGATION OF HISTONE-DNA BINDING ENERGY AS A FUNCTION OF DNA UNWRAPPING FROM NUCLEOSOME USING MOLECULAR MODELINGГрибковаА. К.GribkovaA. K.

Кафедра биоинженерии, биологический факультет

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

студентка кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-57-38

Department of Bioengineering, School of Biology

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234, Russia

anna_gribkova@list.ruАрмеевГ. А.ArmeevG. A.

Кафедра биоинженерии, биологический факультет

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

аспирант кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-57-38

Department of Bioengineering, School of Biology

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234, Russia

armeev@molsim.orgШайтанА. К.ShaytanA. K.

Кафедра биоинженерии, биологический факультет

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

канд. физ-мат. наук, вед. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-57-38

Department of Bioengineering, School of Biology

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234, Russia

alex@molsim.orgМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation201728072017723164168Copyright © Грибкова А.К., Армеев Г.А., Шайтан А.К., 20172017Грибкова А.К., Армеев Г.А., Шайтан А.К.Gribkova A.K., Armeev G.A., Shaytan A.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/473

Работа посвящена изучению компактизации ДНК на нуклеосомном уровне. Взаимодействие ДНК с гистонами влияет на протекание ключевых процессов репликации и транскрипции. Такое взаимодействие в общем случае может быть охарактеризовано величиной свободной энергии связывания. В данной работе рассчитывалось изменение свободной энергии связывания в процессе отворачивания ДНК от гистонового ядра нуклеосомы. Расчёты проводились методом MM/PBSA. Рассчитанные профили хорошо согласуются с экспериментальными данными из литературных источников. Полученные результаты свидетельствуют о применимости методики для изучения влияния посттрансляционных модификаций гистонов и гистоновых вариантов на энергетику нуклеосом, что важно для понимания механизмов регуляции транскрипции в хроматине.

The present study contributes to the understanding of DNA compaction in cell nucleus at the nucleosomal level. The interactions between DNA and histones can be described in terms of a free energy profile, DNA binding affects key processes of cell life including replication and transcription. MM/PBSA method was used to calculate free energy profile during DNA unwrapping from histone octamer. Our results are in good agreement with experimental data published earlier. The developed approach can be applied to study the effects of post-translational modifications of histones and histone variants on nucleosome stability, which is important for understanding the mechanisms of transcriptional regulation in chromatin.

нуклеосомахроматинмолекулярная динамикаMM/PBSAсвободная энергияДНКгистоныnucleosomeschromatinmolecular dynamicsMM/PBSAfree energy calculationsDNAhistonesReferencesShaytan A.K., Landsman D., Panchenko A.R. Nucleosome adaptability conferred by sequence and structural variations in histone H2A–H2B dimers // Curr. Opin. Struct. Biol. 2015. Vol. 32. P. 48–57.Shaytan A.K., Landsman D., Panchenko A.R. Nucleosome adaptability conferred by sequence and structural variations in histone H2A–H2B dimers // Curr. Opin. Struct. Biol. 2015. Vol. 32. P. 48–57.Brower-Toland B.D., Smith C.L., Yeh R.C., Lis J.T., Peterson C.L., Wang M.D. Mechanical disruption of individual nucleosomes reveals a reversible multistage release of DNA // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002. Vol. 99. N 4. P. 1960–1965.Brower-Toland B.D., Smith C.L., Yeh R.C., Lis J.T., Peterson C.L., Wang M.D. Mechanical disruption of individual nucleosomes reveals a reversible multistage release of DNA // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002. Vol. 99. N 4. P. 1960–1965.Thåström A., Gottesfeld J.M., Luger K., Widom J. Histone-DNA binding free energy cannot be measured in dilution- driven dissociation experiments // Biochemistry. 2004. Vol. 43. N 3. P. 736–741.Thåström A., Gottesfeld J.M., Luger K., Widom J. Histone-DNA binding free energy cannot be measured in dilution- driven dissociation experiments // Biochemistry. 2004. Vol. 43. N 3. P. 736–741.Mihardja S., Spakowitz A.J., Zhang Y., Bustamante C. Effect of force on mononucleosomal dynamics // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006. Vol. 103. N 43. P. 15871–15876.Mihardja S., Spakowitz A.J., Zhang Y., Bustamante C. Effect of force on mononucleosomal dynamics // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006. Vol. 103. N 43. P. 15871–15876.Ettig R., Kepper N., Stehr R., Wedemann G., Rippe K. Dissecting DNA-histone interactions in the nucleosome by molecular dynamics simulations of DNA unwrapping // Biophys. J. 2011. Vol. 101. N 8. P. 1999–2008.Ettig R., Kepper N., Stehr R., Wedemann G., Rippe K. Dissecting DNA-histone interactions in the nucleosome by molecular dynamics simulations of DNA unwrapping // Biophys. J. 2011. Vol. 101. N 8. P. 1999–2008.Zhang B., Zheng W., Papoian G.A., Wolynes P.G. Exploring the free energy landscape of nucleosomes // J. Am. Chem. Soc. 2016. Vol. 138. N 26. P. 8126–8133.Zhang B., Zheng W., Papoian G.A., Wolynes P.G. Exploring the free energy landscape of nucleosomes // J. Am. Chem. Soc. 2016. Vol. 138. N 26. P. 8126–8133.Kollman P.A., Massova I., Reyes C. at al. Calculating structures and free energies of complex molecules: combining molecular mechanics and continuum models // Acc. Chem. Res. 2000. Vol. 33. N 12. P. 889–897.Kollman P.A., Massova I., Reyes C. at al. Calculating structures and free energies of complex molecules: combining molecular mechanics and continuum models // Acc. Chem. Res. 2000. Vol. 33. N 12. P. 889–897.Davey C.A., Sargent D.F., Luger K., Maeder A.W., Richmond T.J. Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 Å resolution // J. Mol. Biol. 2002. Vol. 319. N 5. P. 1097–1113.Davey C.A., Sargent D.F., Luger K., Maeder A.W., Richmond T.J. Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 Å resolution // J. Mol. Biol. 2002. Vol. 319. N 5. P. 1097–1113.Banks D.D., Gloss L.M. Equilibrium folding of the core histones: the H3-H4 tetramer is less stable than the H2A-H2B dimer // Biochemistry. 2003. Vol. 42. N 22. P. 6827–6839.Banks D.D., Gloss L.M. Equilibrium folding of the core histones: the H3-H4 tetramer is less stable than the H2A-H2B dimer // Biochemistry. 2003. Vol. 42. N 22. P. 6827–6839.Armeev G.A., Shaitan K.V., Shaytan A.K. Nucleosome structure relaxation during DNA unwrapping: Molecular dynamics simulation study // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2016. Vol. 71. N 3. P. 141–144.Armeev G.A., Shaitan K.V., Shaytan A.K. Nucleosome structure relaxation during DNA unwrapping: Molecular dynamics simulation study // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2016. Vol. 71. N 3. P. 141–144.Guy A.T., Piggot T.J., Khalid S. Single-stranded DNA within nanopores: conformational dynamics and implications for sequencing; a molecular dynamics simulation study // Biophys. J. 2012. Vol. 103. N 5. P. 1028–1036.Guy A.T., Piggot T.J., Khalid S. Single-stranded DNA within nanopores: conformational dynamics and implications for sequencing; a molecular dynamics simulation study // Biophys. J. 2012. Vol. 103. N 5. P. 1028–1036.Pronk S., Páll S., Schulz R., Larsson P., Bjelkmar P., Apostolov R., Shirts M.R., Smith J.C., Kasson P.M., van der Spoel D., Hess B., Lindahl E. GROMACS 4.5: a highthroughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit // Bioinformatics. 2013. Vol. 29. N 7. P. 845–854.Pronk S., Páll S., Schulz R., Larsson P., Bjelkmar P., Apostolov R., Shirts M.R., Smith J.C., Kasson P.M., van der Spoel D., Hess B., Lindahl E. GROMACS 4.5: a highthroughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit // Bioinformatics. 2013. Vol. 29. N 7. P. 845–854.Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: visual molecular dynamics // J. Mol. Graph. 1996. Vol. 14. N 1. P. 33–38.Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: visual molecular dynamics // J. Mol. Graph. 1996. Vol. 14. N 1. P. 33–38.Forties R.A., North J.A., Javaid S., Tabbaa O.P., Fishel R., Poirier M.G., Bundschuh R. A quantitative model of nucleosome dynamics // Nucleic Acids Res. 2011. Vol. 39. N 19. P. 8306–8313.Forties R.A., North J.A., Javaid S., Tabbaa O.P., Fishel R., Poirier M.G., Bundschuh R. A quantitative model of nucleosome dynamics // Nucleic Acids Res. 2011. Vol. 39. N 19. P. 8306–8313.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.