В некоторых комплексах с белками дуплекс ДНК локально сильно изогнут, например, в нуклеосоме и в комплексах с полимеразами и транскрипционными факторами. В области таких изгибов молекула ДНК находится в неканонических конформациях: С (с узкой малой бороздкой и большим количеством BII конформаций фосфатов) или А (с узкой большой бороздкой и большим количеством сахаров в северной конформации). Для изучения формирования таких комплексов методами молекулярной динамики необходимо, чтобы силовое поле адекватно воспроизводило оба этих конформационных перехода в свободной ДНК. Мы проанализировали доступные экспериментальные данные по В-С и В-А переходам при условиях, наиболее легко реализуемых в молекулярно-динамическом моделировании: в водно-солевом растворе соли NaCl. Мы выделили шесть олигомеров (дуплексов) ДНК, конформации которых при разных значениях концентрации соли NaCl в водном растворе известны достаточно достоверно. Полимеры poly(GC) и poly(A) при низкой соли находятся в В-форме, классической и немного смещённой к А, соответственно. Олигомеры ATAT и GGTATACC имеют сильную и зависящую от концентрации соли склонность к А форме. Наконец, полимеры Poly(AC) и poly(G) при высокой концентрации принимают С и А форму соответственно. Мы провели [1] тестирование силовых полей AMBER bsc1 и CHARMM36, а также их гибридов, и нам не удалось воспроизвести эксперимент. В обоих полях практически отсутствует зависимость результата моделирования от концентрации соли. Известная «В-любивость» поля AMBER оказалась следствием «В-любивости» его избыточно сильного стекинга. В поле CHARMM В форма является результатом неустойчивого равновесия между А-любивым стекингом оснований (особенно пар G:C) и С-любивым сахаро-фосфатным остовом, и ДНК в поле CHARMM обладает намного большей, чем в поле AMBER, гибкостью. Наконец, мы проанализировали результаты недавнего моделирования формирования комплексов ДНК с белками LacI, SOX-4, and Sac7d в рамках силового поля AMBER.



Работа была выполнена за счёт субсидии, выделенной ФИЦ ХФ РАН на выполнение государственного задания, тема FFZE-2022-0009 (регистрационный номер 122040500069-7). Расчеты проведены в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре Российской Академии Наук.



[1] C-A test of DNA force fields, Ivan A. Strelnikov, Natalya A. Kovaleva, Artem P. Klinov, and Elena A. Zubova, https://doi.org/10.48550/arXiv.2211.10711

The DNA duplex may be locally strongly bent in complexes with proteins, for example, with polymerases or in a nucleosome. At such bends, the DNA helix is locally in the non-canonical forms A (with a narrow major groove and a large amount of north sugars) or C (with a narrow minor groove and a large share of BII phosphates). To model the formation of such complexes by molecular dynamics methods, the force field is required to reproduce these conformational transitions for a naked DNA. We analyzed the available experimental data on the B-C and B-A transitions under the conditions easily implemented in modeling: in an aqueous NaCl solution. We selected six DNA duplexes which conformations at different salt concentrations are known reliably enough. At low salt concentrations, poly(GC) and poly(A) are in the B-form, classical and slightly shifted to the A-form, respectively. The duplexes ATAT and GGTATACC have a strong and salt concentration dependent bias toward the A-form. The polymers poly(AC) and poly(G) take the C- and A-forms, respectively, at high salt concentrations. The reproduction of the behavior of these oligomers can serve as a test for the balance of interactions between the base stacking and the conformational flexibility of the sugar-phosphate backbone in a DNA force field. We tested [1] the AMBER bsc1 and CHARMM36 force fields and their hybrids, and we failed to reproduce the experiment. In all the force fields, the salt concentration dependence is very weak. The known B-philicity of the AMBER force field proved to result from the B-philicity of its excessively strong base stacking. In the CHARMM force field, the B-form is a result of a fragile balance between the A-philic base stacking (especially for G:C pairs) and the C-philic backbone. Finally, we analyzed some recent simulations of the LacI-, SOX-4-, and Sac7d-DNA complex formation in the framework of the AMBER force field.



This work was supported by the Program of Fundamental Research of the Russian Academy of Sciences (project FFZE-2022-0009, registration number 122040500069-7). The calculations were carried out in the Joint Supercomputer Center of the Russian Academy of Sciences.



[1] C-A test of DNA force fields, Ivan A. Strelnikov, Natalya A. Kovaleva, Artem P. Klinov, and Elena A. Zubova, https://doi.org/10.48550/arXiv.2211.10711