【摘要】：DNA結(jié)合蛋白,例如轉(zhuǎn)入因子和DNA修復(fù)蛋白,搜尋其坐落在DNA大量非特異性結(jié)合位點(diǎn)中的特異性結(jié)合靶點(diǎn)位置的過程在許多生物反應(yīng)過程中起到了至關(guān)重要的作用,這些生物反應(yīng)過程包括了基因的表達(dá)和管理等。在二十世紀(jì)七十年代,Riggs等人在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)特異性結(jié)合蛋白對(duì)其DNA上特異性靶點(diǎn)的搜尋過程是非常迅速并且高效率的,其速率比三維極限擴(kuò)散速率(three dimensional diffusion limit)大約100倍。為了解釋異常大的蛋白質(zhì)與DNA特異性結(jié)合速率與三維極限擴(kuò)散速率之間的矛盾,Berg等人在一系列開創(chuàng)性文章中提出并發(fā)展了如今被廣泛接受和應(yīng)用的促進(jìn)擴(kuò)散機(jī)理。促進(jìn)擴(kuò)散機(jī)理的基本思想是蛋白質(zhì)搜尋特異性靶點(diǎn)的過程采用了在溶液中三維擴(kuò)散與在DNA鏈上一維滑移相結(jié)合的方式。隨后,許多關(guān)于促進(jìn)擴(kuò)散的理論方面、實(shí)驗(yàn)方面、數(shù)值模擬方面的研究被進(jìn)行和發(fā)展。在第一章中,我們給出一個(gè)關(guān)于促進(jìn)擴(kuò)散研究進(jìn)展的綜述。近十年以來,學(xué)者們更加關(guān)注在體內(nèi)環(huán)境下的促進(jìn)擴(kuò)散機(jī)理的研究。在生物細(xì)胞內(nèi)存在著10%-40%細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)的大分子,例如蛋白質(zhì),核糖體等。這些在細(xì)胞內(nèi)的大分子導(dǎo)致了一個(gè)擁擠的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境。分子擁擠效應(yīng)對(duì)靶點(diǎn)搜尋動(dòng)力學(xué)有著非常重要的影響。在第二章中,我們采用了理論分析和二維朗之萬模擬的方法,研究了分子擁擠效應(yīng)在靶點(diǎn)搜尋動(dòng)力學(xué)中的作用。我們發(fā)現(xiàn)搜尋時(shí)間τ隨著擁擠劑粒子濃度φ的增加單調(diào)增加,并且通過對(duì)搜尋過程中的動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)的深入研究,我們發(fā)現(xiàn)造成這種單調(diào)增加行為的主要原因是平均循環(huán)數(shù)和平均一維擴(kuò)散時(shí)間的單調(diào)增加,同時(shí)平均二維擴(kuò)散時(shí)間隨著擁擠劑粒子濃度的變化基本保持不變。另外,對(duì)于二維擴(kuò)散,擁擠分子帶來的牢籠效應(yīng)減小了二維跳躍長(zhǎng)度并且收窄了二維跳躍長(zhǎng)度的分布。在細(xì)胞內(nèi),接近30%的DNA鏈位點(diǎn)被擁擠大分子覆蓋,形成路障,從而阻礙特異性結(jié)合蛋白的一維搜尋。在第三章中,我們利用三維朗之萬動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了路障粒子對(duì)促進(jìn)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的影響。對(duì)于一對(duì)以靶點(diǎn)粒子為中心對(duì)稱擺放的路障粒子的情況來說,我們發(fā)現(xiàn)隨著路障粒子與靶點(diǎn)粒子的擺放距離的增加,平均搜尋時(shí)間τ先是快速下降然后趨于平緩。對(duì)于多個(gè)路障粒子任意擺放的情況,隨著任意擺放的路障粒子濃度φ的增加,搜尋時(shí)間可能起初增加并逐級(jí)達(dá)到最大值,然后令人驚奇的減小。搜尋時(shí)間也可能總是隨著路障粒子的濃度增加而增加,這取決于非特異性結(jié)合能的大小和DNA鏈占總空間的體積分?jǐn)?shù)。我們的研究結(jié)果協(xié)調(diào)了之前研究文獻(xiàn)中對(duì)路障粒子在靶點(diǎn)搜尋過程中的角色的結(jié)論分歧。尤其,上述的τ隨著φ變化的非單調(diào)行為表明,在φ到達(dá)某一臨界值后路障粒子可能有利于靶點(diǎn)搜尋。在第四章中,蛋白質(zhì)在溶液中的亞擴(kuò)散和其隱含的分子擁擠條件是我們所關(guān)注的。在三維溶液中,我們使用分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)的方法去模擬蛋白質(zhì)粒子的非正常布朗運(yùn)動(dòng)和亞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。我們展示了對(duì)于非特異性結(jié)合能ε的變化平均搜尋時(shí)間τ有明顯的最小值,無論是在正常擴(kuò)散還是亞擴(kuò)散的情況。我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于更小的亞擴(kuò)散指數(shù)α這個(gè)隨ε變化的最佳的靶點(diǎn)搜尋時(shí)間就越長(zhǎng),并且這樣的趨勢(shì)非常明顯。我們將對(duì)于更小α的情況平均搜尋時(shí)間的增加歸結(jié)為平均三維擴(kuò)散時(shí)間的增加和分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性造成的更多重復(fù)位點(diǎn)搜尋所造成的。我們相信我們的工作為細(xì)胞內(nèi)環(huán)境下的促進(jìn)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的研究提供了更深入的認(rèn)識(shí)和新的視野。
[Abstract]:DNA-binding proteins, such as transfer-in factors and DNA repair proteins, are critical to the process of searching for their specific binding target sites located in a large number of non-specific binding sites of DNA, These bioreaction processes include the expression and management of genes, and the like. In the 1970s, Riggs et al., in vitro, found that the search for specific binding proteins to their DNA-specific targets was very rapid and efficient, with a rate of about 100-fold higher than the three-dimensional limit diffusion limit. In order to explain the contradiction between the abnormally large protein and the DNA-specific binding rate and the three-dimensional limit diffusion rate, Berg et al. proposed and developed a diffusion mechanism that is now widely accepted and applied in a series of groundbreaking articles. The basic idea of promoting the diffusion mechanism is that the process of protein search specific target uses three-dimensional diffusion in solution and one-dimensional slip on the DNA chain. Subsequently, a number of theoretical aspects of the promotion of diffusion, experimental aspects, and numerical simulation have been developed and developed. In the first chapter, we present a review of the progress in the study of the diffusion of diffusion. For nearly a decade, scholars have paid more attention to the study of the mechanism of promoting the diffusion in the in-vivo environment. Macromolecules, such as proteins, ribosomes, and the like, are present in the biological cells of 10% to 40% of the cell volume fraction. These macromolecules in the cells result in a crowded intracellular environment. The molecular crowding effect has a very important effect on the target search dynamics. In the second chapter, we used the theoretical analysis and the two-dimensional Langevan's method to study the role of the molecular crowding effect in the target search dynamics. We find that the search time is increasing monotonously with the increasing of the concentration of the congestion agent, and by further study of the dynamics detail in the search process, we find that the main reason for this monotonic increase is that the average number of cycles and the average one-dimensional diffusion time increase monotonically, While the average two-dimensional diffusion time is substantially unchanged as the change in the concentration of the congestion agent particles. In addition, for the two-dimensional diffusion, the cage effect brought by the congested molecules reduces the two-dimensional jump length and narrows the distribution of the two-dimensional jump length. Within the cell, nearly 30% of the DNA strand sites are covered by the congested macromolecules to form a barrier that blocks the one-dimensional search of specific binding proteins. In the third chapter, we study the effect of the barrier particles on the promotion of the diffusion kinetics by using the three-dimensional dynamic simulation method. In the case of a pair of barrier particles that are placed symmetrically about the target particle, we find that, as the distance between the barrier particles and the target particles increases, the average search time is then rapidly reduced and then tends to be gentle. The search time may initially increase and reach the maximum with any placement of the plurality of barrier particles, and then a surprising reduction as the concentration of the barrier particles in any place increases. The search time may also always increase as the concentration of the barrier particles increases, depending on the size of the non-specific binding energy and the volume fraction of the DNA strand in the total space. Our findings have coordinated the conclusions of the previous study on the role of the barrier particles in the target search process. In particular, the above-described non-monotonic behavior of the roadblock as the threshold value changes indicates that the barrier particles may be in favor of the target search after reaching a certain critical value. In the fourth chapter, the subdiffusion of the protein in the solution and its implied molecular crowding conditions are of concern to us. In the three-dimensional solution, we use fractional Brownian motion to simulate the abnormal Brownian motion and the sub-diffusion motion of the protein particles. We have shown that the mean search time for changes in non-specific binding energy levels has a significant minimum value, whether in normal or sub-proliferation. We have found that for a smaller sub-diffusion index, the longer the best target search time with time changes, and such a trend is very clear. The increase in the average search time for smaller cases is attributed to the increase in the average three-dimensional diffusion time and the more repeated site search resulting from the motion characteristics of the fractional Brownian motion. We believe that our work provides a more in-depth understanding and a new field of view for the study of the promotion of diffusion kinetics in the intracellular environment.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：Q61

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本文編號(hào)：2484683