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《武汉大学》 2018年
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基于Amber bsc1和bsc0力场的DNA柔性的全原子分子动力学模拟研究

熊开欣  
【摘要】:DNA的结构柔性对DNA生物功能的实现起到很重要的作用,比如DNA与蛋白质的相互作用、DNA包装进入病毒中和核小体的形成等。已经有很多实验和理论的方法被用来理解DNA的结构柔性,但是这些方法只能得到DNA宏观方面的性质,对于理解相关的微观机制仍很困难。随着计算机技术的快速发展,全原子分子动力学模拟可以作为一种有效的补充手段,其不仅能得到DNA的宏观性质,而且可以在微观层面研究DNA柔性及相关机制。在全原子分子动力学模拟中,选取合适准确的力场模型对模拟结果的可靠性非常关键。近来,关于DNA的分子动力学模拟力场在Amberbsc0基础上有了进一步的发展,即Amber bscl。我们将采用基于最新Amber bscl力场和先前Amber bsc0力场的分子动力学模拟对一根长度为30-bp的DNA的宏观柔性和微观柔性进行对比研究。所有的MD模拟都是由Gromacs4.6完成的,每根轨迹的模拟时间长达600ns。由于系统在100ns之后基本达到平衡,我们只分析之后的500ns的轨迹,所有的分析数据均通过Curves+软件包提取。我们的结果表明力场的改进对DNA宏观柔性参量的预测有一定改善,即所预测的拉伸模量S和扭转-伸缩耦合比D与实验值更为接近,而弯曲持久长度和扭转持久长度两种力场结果皆与实验值一致。通过微观分析我们发现,除了滑移量稍变大,Amber bscl力场下模拟得到的DNA微观结构参量相对于Amber bsc0力场更为接近于实验,其中最显著的是bscl力场对于微观结构参量H-twist、twist和inclination有较为明显的提升。进一步的分析表明新力场(bscl)下DNA宏观柔性的改善与DNA的微观结构参量及其涨落紧密相关,并且DNA的结构性质具有序列依赖性。前人的研究表明,DNA的柔性具有明显的碱基序列依赖性,另一方面DNA结构的稳定性可通过最近邻模型得到的自由能进行度量。为了探究DNA的柔性和其稳定性之间可能的耦合关系,我们利用基于bscl力场的全原子分子动力学模拟方法,分别对9根不同序列DNA进行了长时间的平衡态模拟。我们得到了不同DNA序列的宏观柔性参量,包括弯曲持久长度lp、拉伸模量S和扭转持久长度C,并寻找它们与相应DNA稳定性之间的可能耦合关系。我们的计算表明DNA在弯曲和拉伸方面的柔性和稳定性之间有明显的耦合,然而扭转柔性则与稳定性没有明显的关联性。通过微观的分析,由于DNA更倾向于朝向大沟弯曲,我们发现DNA的弯曲柔性可能和DNA大沟的宽度和涨落有关。随着形成DNA稳定性的减弱,DNA大沟的宽度和涨落越大,DNA表现出更强的弯曲柔性。通过对不同DNA的微观分析也表明更强的伸缩柔性归因于更大的slide以及更大的inclination涨落。最后,我们的分析表明随形成DNA稳定性的减弱twist的涨落基本不变,从而表现出DNA的扭转柔性与自由能之间没有明显的耦合作用。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:Q52

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