基于静电多极势的B-DNA粗粒化模型的发展和应用

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21803034
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0302.化学模拟与应用
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Currently, all-atom (AA) dynamics simulation (MD) has been proved to be very useful in studying the DNA systems, which attracts a lot of attention in the field of molecular biology. However, due to high computational cost, it is greatly challenging for AA MD to study the DNA-relevant processes occurring at microsecond level or above. DNA is a highly-charged polyelectrolyte and the electrostatic interaction plays an important role in DNA simulations. Here, based on the electric multipole potential (EMP), we will develop a generic CG model for B-DNA structure, coupling with existing polarizable water and ion models, namely a DNA-EMP force field (FF). Based on available experimental and AA data, validation of the DNA-EMP FF will be assessed by simulating a set of medium structures. Then the roles that electrostatic interaction, polarizable water and ions play in stabilizing the duplex formation of B-DNA will be discussed by the DNA-EMP FF. Interestingly, by adding a spherical confinement potential in the DNA-EMP FF, conformational changes of DNA in cell nucleus or viral capsid can be studied in the virtual sphere. Furthermore, combining the DNA-EMP FF with the existing TMFF protein model, allosteric dynamics of histone-DNA systems can be studied with the EMP. Besides, a local-frame strategy will be adopted to achieve the back mapping from CG configuration to AA representation.
目前,通过全原子模拟来研究DNA分子实验现象的机理是分子生物学领域的研究热点之一。然而由于计算量过大,全原子动力学模拟在研究发生在微秒以上的DNA变构现象方面面临挑战。而DNA分子作为高带电聚合电解质,静电作用在DNA相关动力学中起着重要作用。结合现有的极化水和离子模型,本项目拟发展新的基于静电多极势的B-DNA粗粒化力场模型(称为DNA-EMP力场),并进行有效性检测。新力场将用于阐明溶质静电作用在维系B-DNA双螺旋结构中的作用以及水分子和离子对B-DNA不同基团的作用机理。新的力场将应用于以下方面:1)在新力场中引入球形限制势,以阐明生物膜对内部B-DNA分子折叠变构的影响;2)将新力场与粗粒化蛋白模型TMFF力场结合,以揭示组蛋白-DNA在静电多极势下变构的机理。此外,本项目还将采用局部坐标系方法建立DNA由粗粒化模型到全原子模型的转换,实现DNA的结构重构。

结项摘要

静电作用在DNA分子动力学模拟中起着重要作用。 本课题意将静电多极变量引入到B-DNA粗粒化力场中,以提高DNA粗粒化模拟中对静电作用的描述。首先我们对粗粒化极化水分子力场进行深入探讨,分别将5、4~10个水分子构造为单个携带静电多极或静电极化的粗粒化“分子”,进行纯水体系的参数拟合及重要特征预测。之后我们还对水分子的超粗粒化模型进行初步探究—将20~500个水分子视作单个粗粒化单元。系列水分子粗粒化模型的发展可直接为其他生物分子粗粒化力场提供一显性溶剂环境。为研究静电极化作用对DNA动力学结构(氢键、groove以及结构稳定性)的影响,我们还将有效可极化键(EPB)模型引入到现有DNA原子力场中。结果表明,跟传统力场相比,浮动电荷模型的加入在一定程度上减弱了碱基对的氢键作用,并增加了B-DNA体系的 major/minor groove宽度。此外,我们还提出RF-LF方法,实现蛋白质由粗粒化模型到全原子结构的重构,为其他粗粒化模型到全原子重构提供一定参考。通过对基于静电极化或多极的模型发展,进一步明确静电作用在高带电性DNA体系中重要作用。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A three-point coarse-grained model of five-water cluster with permanent dipoles and quadrupoles
永久偶极子和四极子五水团簇的三点粗粒度模型
  • DOI:
    10.1039/d0cp04782a
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Physical Chemistry Chemical Physics
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Li Min;Lu WenCai;Zhang John ZengHui
  • 通讯作者:
    Zhang John ZengHui
Ultra-coarse-graining modeling of liquid water
液态水的超粗粒度建模
  • DOI:
    10.1063/5.0055453
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Chemical Physics
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Li Min;Lu WenCai;Zhang John ZengHui
  • 通讯作者:
    Zhang John ZengHui
Multiscale polarizable coarse-graining water models on cluster-level electrostatic dipoles dagger
簇级静电偶极子匕首的多尺度极化粗粒水模型
  • DOI:
    10.1371/journal.pbio.1001234
  • 发表时间:
    2012-01
  • 期刊:
    Physical Chemistry Chemical Physics
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Rogers AD;Tyler PA;Connelly DP;Copley JT;James R;Larter RD;Linse K;Mills RA;Garabato AN;Pancost RD;Pearce DA;Polunin NV;German CR;Shank T;Boersch-Supan PH;Alker BJ;Aquilina A;Bennett SA;Clarke A;Dinley RJ;Graham AG;Green DR;Hawkes JA;Hepburn L;Hilario A;Huvenne VA;Marsh L;Ramirez-Llodra E;Reid WD;Roterman CN;Sweeting CJ;Thatje S;Zwirglmaier K
  • 通讯作者:
    Zwirglmaier K
Introducing the effective polarizable bond (EPB) model in DNA simulations
在 DNA 模拟中引入有效极化键 (EPB) 模型
  • DOI:
    10.1093/police/pax073
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chemical Physics Letters
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Li Min;Lu WenCai;Zhang John ZengHui
  • 通讯作者:
    Zhang John ZengHui
Atomic-level reconstruction of biomolecules by a rigid-fragment- and local-frame-based (RF-LF) strategy
通过基于刚性片段和局部框架(RF-LF)策略的生物分子原子级重建
  • DOI:
    10.1007/s00894-020-4298-7
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Molecular Modeling
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Li Min;Teng Bing;Lu WenCai;Zhang John ZengHui
  • 通讯作者:
    Zhang John ZengHui

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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