ねじれDNA座屈の運動経路

磁気ピンセットの実験では、ねじれDNAの座屈速度と遷移状態距離が基本ペアの欠陥に鈍感であることが観察されます。これは驚くべきことです。これは、欠陥がDNAをキンクし、局所ループのエネルギーを低下させると予想されるためです。それにもかかわらず、塩基対の欠陥は、欠陥での座屈した構造のピン留めにつながります。これは、in vivoでのDNA修復にとって重要かもしれません。エントロピーの減少がピン留めの減少は、曲げエネルギーの減少のほぼバランスをとり、欠陥が座屈速度にほとんど影響を与えない理由を説明していることがわかります。私たちのデータは一般に弾性ロッド理論と一致しており、ねじれの座屈の遷移状態構造は特定の形状を持つ局所的な波であると予測しています（「ソリトン」）。遷移状態のソリトンは、最終的な完全に座屈した状態から2番目の低エネルギー障壁によって分離された、メタステュタブルループ中間体（「カール」）に崩壊します。ベースミスマッチ欠陥を持つDNAは、弾性ロッド理論がループ構造がより安定していると予測し、そのようなループと一致する中間の座屈構造を明らかにします。私たちの高い力の高い塩の実験条件下では、ソリトンバリアは約10 kb tであり、この移行状態からこの移行状態に到達するために、システムトルクは即座に減少します。小さな欠陥。

In magnetic tweezers experiments, we observe that torsional DNA buckling rates and transition state distances are insensitive to base-pairing defects. This is surprising because defects are expected to kink DNA and lower the energy of a localized loop. Nonetheless, base-pairing defects lead to pinning of buckled structures at the defects, which may be important for DNA repair in vivo. We find that the decrease in entropy from pinning roughly balances the decrease in bending energy, explaining why defects have little effect on buckling rates. Our data are generally consistent with elastic rod theory, which predicts that the transition state structure for torsional buckling is a localized wave with a specific shape ("soliton"). The transition state soliton decays to a metastable looped intermediate ("curl") that is separated from the final, fully buckled state by a second, low energy barrier. DNAs with base mismatch defects buckle at lower torque, where elastic rod theory predicts the loop structure is more stable, and manifest an intermediate buckling structure consistent with such a loop. We estimate that, under our high force, high salt experimental conditions, the soliton barrier is approximately 10 kB T and, to reach this transition state from the unbuckled state, the system torque instantaneously decreases by approximately 1 pN·nm for DNA with or without a small defect.