Untersuchung der Protein-DNA-Erkennung durch Moleküldynamik und verbesserte „Sampling“-Verfahren

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Zacharias
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427528676

Protein-DNA-Interaktionen sind von fundamentaler Bedeutung für die Replikation und Transkription von DNA sowie für alle Genregulations- und DNA-Reparaturprozesse. Ziel des Projekts ist durch Computersimulationen ein genaueres Verständnis der indirekten DNA-Erkennung, die durch die Sequenz-abhängige DNA-Deformierbarkeit bestimmt wird, zu erreichen. Darüber hinaus wollen wir auch den Prozess der Protein-DNA-Bindung durch „Sliding“ entlang der DNA in molekularem Detail verstehen und dabei die Rolle der DNA-Deformierbarkeit analysieren. In der ersten Projektförderphase gelang es uns ein (fast) quantitatives Modell der Sequenz-abhängigen DNA-Flexibilität zu entwickeln. Dieses multimodale Ising-Modell berücksichtigt sowohl die Verteilung möglicher semi-stabiler Konformationszustände von DNA als auch die Verteilung der Konformationen in jedem dieser semi-stabilen Zustände. Die Methode erlaubt für eine gegebene DNA-Sequenz und gegebene deformierte Struktur, die assoziierte Freie Energie der Deformation zu berechnen. Neben dieser Entwicklung gelang auch die Simulation (bei atomarer Auflösung) des Sliding-Prozesses für einen Liganden, der in der kleinen DNA-Furche bindet, und die Untersuchung des Slidingprozesses für ein Protein-DNA-System mit Hilfe von verbesserten „Sampling“-Methoden. In der zweiten Förderphase planen wir die Verbesserung und Anwendung des multimodalen Ising-Modells zur systematischen Berechnung der indirekten DNA-Erkennung für bekannte Protein-DNA-Komplexe. Des Weiteren sollen allosterische Effekte der Protein-DNA-Bindung durch Proteinbinding an benachbarten DNA-Binderegionen untersucht werden, die in den letzten Jahren zunehmend im Fokus experimenteller Studien stehen. Hier erwarten wir vor allem für DNA-Segmente, die an ihren Enden einer eingeschränkten Beweglichkeit unterliegen, Effekte mit signifikanter Reichweite, da hier die Gesamtkrümmung und der Gesamttwist konstant sind. D.h. eine lokale Änderung der Krümmung oder Twist (oder auch anderer helikaler Variablen) bewirkt notwendigerweise eine gekoppelte (umgekehrte) Krümmungs- oder Twiständerung an anderer Stelle, die eine zweite Proteinbinding beeinflussen kann. DNA-Segmente mit eingeschränkter Beweglichkeit kommen in verpackter DNA (z.B. in Eukaryonten) vielfach vor und können allosterische Effekte ermöglichen. Im geplanten Vorhaben soll darüber hinaus mit Hilfe von verbesserten Abtastverfahren (advanced sampling) auch die Kinetik des Slidingprozesses von Liganden in den DNA-Furchen untersucht werden und wie dieser durch DNA-Deformation moduliert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen