为了正常的体验网站,请在浏览器设置里面开启Javascript功能!

病毒衣壳中打结聚合物的穿孔行为由聚合物的结控制

2017-09-21 11页 doc 88KB 16阅读

用户头像

is_597436

暂无简介

举报
病毒衣壳中打结聚合物的穿孔行为由聚合物的结控制病毒衣壳中打结聚合物的穿孔行为由聚合物的结控制 Richard Matthews, A. A. Louis, and J. M. Yeomans Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, 1 Keble Road, Oxford 0X1 3NP, England, United Kingdom (2008.11.17接收; 2009.2.23出版) 我们对柔性及半柔性球形打结聚合物(如病毒的衣壳)的穿孔行为进行了定性研究。该聚合物的穿孔速率主要受结控制,当结移动到孔中...
病毒衣壳中打结聚合物的穿孔行为由聚合物的结控制
病毒衣壳中打结聚合物的穿孔行为由聚合物的结控制 Richard Matthews, A. A. Louis, and J. M. Yeomans Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, 1 Keble Road, Oxford 0X1 3NP, England, United Kingdom (2008.11.17接收; 2009.2.23出版) 我们对柔性及半柔性球形打结聚合物(如病毒的衣壳)的穿孔行为进行了定性研究。该聚合物的穿孔速率主要受结控制,当结移动到孔中后,然后作为一个棘轮。具有更复杂的结的聚合物穿孔速度更慢,穿孔速率与结的大小,类型有关与聚合物的柔韧性无关。我们讨论的研究结果有助于更好的认识DNA结构和在生物学上猜想DNA如何进入细胞。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.088101 PACS numbers: 87.15. v, 02.10.Kn, 82.35.Lr 二十面体噬菌体是具有传染性的病毒,它们的外壳接近球形,直径有几十纳米左右。DNA是内部直径只有几纳米狭窄圆柱状的链型结构,将噬菌体的DNA注入病毒的球形外壳进行复制[1]。非常长的DNA可以将刚性的衣壳头填充到接近晶体密度。例如,有一个基因组长度为16微米的λ噬菌体进入的球形外壳直径仅58纳米的病毒衣壳。这样在内部压力达到几个大气压的情况下,一些病毒,如λ,φ29,它们的DNA利用尾巴的摆动进入宿主。 最近实验中,使用荧光染色法[2]和光散射法[3,4],研究病毒衣壳中的DNA穿孔过程。实 与温度[3,4],结合蛋白[4],基因组长度[4],盐浓度或其它离子有关。为了验表明,穿孔速率 解决周围其他的的病毒外壳而加入聚乙二醇来改变渗透压力[5],但是这样只有一小部分的基因组穿孔而出,由此表明,穿孔速率是可以被抑制的。此外,由某些噬菌体穿孔行为可见[2],速率还与链的位置有关。该实验通过用在病毒衣壳驱使下的DNA在封闭区域内熵的变化这样的模型来解释一些普遍特征[6-10]. 阿苏加等人做了一个有趣的假设,在实验中.[11,12],直接从无尾的噬菌体突变体中提取DNA,其高度打结的DNA,使他们认为这可能也是外壳内的情况。此外,米切莱蒂等人关于受限高分子的普遍性问题意见不一,但最近的模拟提供了进一步的证据[13]。早期的研究表明,对于某种含聚合物物质来说打结的概率随聚合物的长度和限制的程度增加而相应的增加[14]。虽然从实验光谱看到的结不完全相同模拟的随机聚合物,实验看到的可能反映了核酸包装的手性性质[12],但是DNA的高度打结是显著的,因此实验与模拟大体上是一致的。结可以通过RNA聚合酶防止DNA的转录,细胞已经可以用一系列的有效的方法去控制这些关系,例如,通过用分子机器如拓扑异构酶[1]。病毒会使用拓扑异构酶解开他们的DNA,从而取代不同机制同时发挥作用。 以这些实验为基础,本文的目标是研究由一种病毒基因组形成的结从噬菌体壳穿孔而造成的影响。填充了DNA 的噬菌体横向间距约2.5纳米[17,18],而噬菌体λ头-尾连接处通道直径为2.3纳米[15],φ29的通道直径为1.7纳米 [16]。由于结的通过,必须多股同时通过;因此在DNA中简单的结也会由于太大而无法通过。我们假设打结DNA重复多次被挤压通过。存在一种生物学上的优势是,病毒的DNA将进入细菌却不打结。 由于前期建模的成功[9,10,19],我们在实验中看到基因复制的效果,我们所采取的方法是通过珠簧聚合物来表达DNA。该聚合物最初仅限于一个球形壳且与一个粗溶剂相关连。以充满外壳的DNA产生的压力作为驱动力,通过一个小洞。我们发现,在结所控制的速率下聚合物 可以离开外壳,且在越复杂的结能观察到穿孔速率更慢。结扮演一个棘轮,穿孔而出的打结聚合物沿着它滑动。 我们考虑聚合物的粗粒度包括由具有弹性性质的线性连接的原子。原子的连接是潜在的 ,,,,,,, 2,rrkii,12R0V,,,ln[1()],2iR0 12, (1) ,4[],,,,,,,,,jii,,rrij ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,()(),,rrrriiii,,11i 式中的第一项(1)是弹性势能,第二项是复杂的伦纳德-琼斯式,它表示原子之间不考虑体积因素的相互作用力,最后一项是指弯曲程度,它可用来控制聚合物的延展长度。我们选择ε=σ=1,k=30,。我们考虑柔性链κ=0,和半柔性链κ=10,对应延展长度为10个原子,这是,1.5R0 噬菌体衣壳直径的情况。模拟原子的动态变化采用Velocity-Verlet分子动力学算法。将病毒 4的外壳模拟为为一个硬的球形外壳,并施加一个大小为的力给原子壳,当他们的位kTf(),B 222(),,yxzf,0.2置满足不等式,其中。此外,我们补充说明一个足够小的孔,只f,,12R R,3.02,有一个原子在一定的时间内可以通过。外壳的2个尺寸是有待考虑的:一个是半径和 R,4.36,另一个是,它们导致体积是原来的三倍大。则该聚合物利用随机旋转动力学算法[20]建立溶剂模型解决。这里提供了一个节省动力的温控器,从而意味着聚合物原子之间的水动力相互作用是包括在模拟中。溶剂可渗透该病毒的外壳,这是噬菌体衣壳的物理情况。 两个类型的初始配置,在图1可见。在两个情况中,把系紧的结放在接近出口处,由它的类型确定使用亚历山大多项式。在第一个图中,剩余原子链形成一卷[17]。在第二个图中,他们在外壳外随机初始化,聚合物在拉力作用下通过衣壳的下一个孔,与第一个相反。挤压这个过程完成后,第二个孔关闭。在两个情况下,聚合物是平衡的(在局部最小时),在开始穿孔之前,第一个原子所在的位置在衣壳外。 图1.初始状态示意图:(左)缠绕链,(右)的随机配置示意图,在外壳的底部通过拉紧链通过一个孔,该孔在非平衡状态时打开的。 较小的外壳用长度为100个原子的聚合物散堆填料而较大的外壳用长度为230-300个原子的聚合物缠绕包装。再将其平分成至少50份,然后独立进行,模拟得出的结果,。 从图2可得出,聚合物释放出的病毒原子个数与离开衣壳的时间是函数关系。此图,我们用一个小衣壳和一个随机初始配置,在不同大小衣壳中填充,发现了非常相似的结果。我们将无结链与节,和比较。(在这里,我们使用的符号,C代表水平面上投影交叉点最36C4111k 小的数,k是来区分结与相同数量的交叉点的不同的状态)。图2可见,当结存在则穿孔的速率减慢。此外,穿孔的速率与结的类型也有关:越复杂的结,穿孔的速率越慢。 在早期,打结聚合物和无结聚合物的穿孔速率是相似的且相对较高。这相当于将系紧的结推到外壳的入口作为结之间的自由原子,然后穿出出口。由于结太大而不能穿孔而出,因此一旦它移动到孔处,就被外壳内的压力阻挡住。现在,在单体可以自由穿孔之前打结聚合物的结点必须反复通过。从本质上来讲,结是作为一个棘轮。如果它在衣壳里扩散一小段距离,那么在衣壳入口与结之间将会增长有一段距离。在驱动力的作用下,聚合物自由部分穿孔而出,结快速的朝着衣壳入口。在穿孔出的高分子链的末端,只有30-40个原子留在衣壳里,穿孔速度上升,图二中有一段 图2.残留在衣壳中的珠粒无结柔性聚合物(?)和半柔性聚合物(Ο)柔性打结聚合物(?),(?),和(?)是关于634111 时间的函数。该结有一个清晰的结果,该图是压射曲线的形状,穿孔速率主要取决于结的形态。 上升区。这相当于结已经打开。 为了证实结的动态影响,将图3类似为长度为N=100半柔性聚合物在三个不同的初始条件下的穿孔曲线:(?)不打结;(?)最初的结在聚合物中点;(?)最初的结在衣壳出口处。以(?)为例,打结聚合物(?)初始穿孔速度与不打结聚合物(?)的穿孔速度一样,但是,一旦结到了外壳出口,速度变得和情况(?)类似。 模拟较长的聚合物在一个半径为4.36,的外壳,来证明一个普遍性行为。有些小的不同是较大数量的原子离开外壳后,由于有更多自由的空间,结打开,有时速率略有下降,可能是因为压力下降,对结在动力上有所影响。对于N=300的随机填充的聚合物,我们观察其初始情况,穿孔时间有大的变化。这是由于结最初被挤在一个非常紧的空间内。因此,一旦穿孔开始,速度受初始状态干扰。 图4定量的比较了在小的外壳中有多达6个结,N=100的聚合物链的柔性聚合物柔性和在大的外壳中有12个结,N=230聚合物链半柔性聚合物的穿孔速率。绘制了型结,并思考了其C1它结,如和.其结果结与其非常相似,它们具有相同的C.通过测量排出数在75%到35%65C221 之间的原子来获得平均速率。选择这个可以避免初始的干扰和最后解开结的干扰.这样截取一部分对方案的结果没有影响. 图3.半柔性聚合物残留在外壳中的原子个数是时间的函数:(?)无结聚合物(Ο);(?)结点初始位置在聚合物链的中点的结61聚合物(?);(?)初始位置在靠近外壳入口的结聚合物(?)。 61 由图4可见,随着结越复杂,穿孔速率将下降越明显。在无结的情况下,不同种类的聚合物和不同种类的衣壳穿孔速率会明显不同,但对于复杂的结,穿孔速率几乎完全由结的类型决 定。这表明,对于紧的受束缚限制的结,其移动速度与聚合物的柔韧性无关。类似的独立情况与结的一些属性有关,比如,一个管状形的结的最小长度,半径比[22]和延展度[23]。 最后,注意到穿孔速率与结的尺寸有不太明显的函数关系。合理的解释是奇数结和偶数结属于不同的拓扑族。,,和结都是圆环结,,,和结都是扭曲的结。这是合理658473111111 的,链的移动速度与结的拓扑结构有一些关联。我们还观察到在张力作用下,不受限的打结聚合物扩散系数的变化[24]. 该噬菌体模型是高度简化的。例如,我们忽略了尾部的作用,我们定性的模拟了带尾的衣壳发现尾部没有重要的作用。模型的可行性才是最重要的,我们的DNA模型不可避免的忽略了许多化学方面的细节,我们聚合物的直径与聚合物剩余部分长度比和真实的DNA相比较大。此外,病毒DNA通常比我们研究的聚合物长的多。然而,我们认为这是一般的结论,我们观察到的穿孔速率主要由结的移动速度决定,并且结从外壳中出来时是解开的---这是打结聚合物经过一个狭窄的出 图4. 结平均穿孔速率:在较小外壳内的柔性聚合物(?);在较小外壳内的半柔性聚合物(?);在较大衣壳内的柔性聚合物(?);C1 在较大外壳内的半柔性聚合物(?)。对于更复杂的结,柔性及半柔性聚合物穿孔速率是非常接近的。 图5.有三个随机结的聚合物残留在衣壳内的一部分原子数是时间的函数,第一个结是(Ο),其余的结在,,,,35512411112结(?)中选择。 61 口孔的基本特征,因此,这些细节是重要的。噬菌体内的结最初是松散的,但当DNA受力通过衣壳入口时,我们认为它是紧的。 实验表明,病毒衣壳中的DNA是多结的[11,12]。为探讨多结的影响,我们将靠近较大外壳的入口的链中三个结点处分别都换成五十个结进行模拟,结的种类从,,,和结3554611211中随机选择。图5将平均射曲线与结作了比较,发现结在外壳入口重叠,就像一个单一的结121 有许多交叉点。我们认为病毒外壳中的DNA长链所打的结在衣壳出口时,将按顺序叠加。因此,结的长度会随着时间的增加,穿孔速度将随时间变慢。如果这个变化过程能在实验上看到将会很有意义。 总的来说,我们模拟了柔性及半柔性打结聚合物从球形衣壳穿孔而出过程,并获得了结果。我们发现穿孔速率主要由结控制,而不是约束压力。衣壳中的结移动到孔处,然后作为一个棘轮。聚合物的结越复杂,则穿孔速度越慢。对于紧的受束缚的结,该聚合物的弹性不是确定穿孔速率的重要因素。 重复打结DNA实验,将会发现有关打结聚合物链的动力学原理[25],然后提出结是否影响运动的生物分子穿过纳米孔之类有趣的问题[26]。 在此感谢 Issam Ali ,Enzo Orlandini , Davide Marenduzzo ,和 Cristan Micheletti 有帮助的讨论结果。 [1] B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, andJ. Watson, Molecular Biology of the Cell (Garland Publishing, New York, 1994). [2] S. Mangenot, M. Hochrein, J. Radler, and L. Letellier,Curr. Biol. 15, 430 (2005). [3] M. de Frutos, L. Letellier, and E. Raspaud, Biophys. J. 88,1364 (2005). [4] D. Lof, K. Schillen, B. Jonsson, and A. Evilevitch, J. Mol.Biol. 368, 55 (2007). [5] A. Evilevitch, L. Lavelle, C. M. Knobler, E. Raspaud, andW. M. Gelbart, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 9292(2003). [6] J. Kindt, S. Tzlil, A. Ben-Shaul, and W. M. Gelbart, Proc.Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 13671 (2001). [7] S. Tzlil, J. T. Kindt, W. M. Gelbart, and A. Ben-Shaul,Biophys. J. 84, 1616 (2003). [8] M. M. Inamdar,W.M. Gelbart, and R. Phillips, Biophys. J.91, 411 (2006). [9] I. Ali, D. Marenduzzo, and J. M. Yeomans, Phys. Rev.Lett. 96, 208102 (2006). [10] I. Ali, D. Marenduzzo, and J. M. Yeomans, Biophys. J. 94,4159 (2008). [11] J. Arsuaga, M. Vazquez, S. Trigueros, D.W. Sumners,and J. Roca, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 5373(2002). [12] J. Arsuaga, M. Vazquez, P. McGuirk, S. Trigueros, D.W.Sumners, and J. Roca, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102,9165 (2005). [13] C. Micheletti, D. Marenduzzo, E. Orlandini, and D.W.Sumners, J. Chem. Phys. 124, 064903 (2006). [14] J. P. J. Michels and F.W. Wiegel, Proc. R. Soc. A 403, 269(1986). [15] J. Kochan, J. L. Carrascosa, and H. Murialdo, J. Mol. Biol.174, 433 (1984). [16] D. J. Muller, A. Engel, J. L. Carrascosa, and M. Velez,EMBO J. 16, 2547 (1997). [17] M. E. Cerritelli, N. Cheng, A. H. Rosenberg, C. E.McPherson, F. P. Booy, and A. C. Steven, Cell 91, 271(1997). [18] N.V. Hud and K. H. Downing, Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A. 98, 14925 (2001). [19] I. Ali, D. Marenduzzo, and J. M. Yeomans, J. Chem. Phys.121, 8635 (2004). [20] A. Malevanets and R. Kapral, J. Chem. Phys. 110, 8605,1999). [21] E. Orlandini and S. G. Whittington, Rev. Mod. Phys. 79,611 (2007). [22] G. Buck and E. J. Rawdon, Phys. Rev. E 70, 011803(2004). [23] L. Huang and D. E. Makarov, J. Phys. Chem. A 111, 10338(2007). [24] R. Matthews, A. A. Louis, and J. M. Yeomans (unpublished). [25] D. E. Smith, S. J. Tans, S. B. Smith, S. Grimes, D. L.Anderson, and C. Bustamante, Nature (London) 413,748 (2001). [26] C. Dekker, Nature Nanotech. 2, 209 (2007).
/
本文档为【病毒衣壳中打结聚合物的穿孔行为由聚合物的结控制】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。 本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。 网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。

历史搜索

    清空历史搜索