Free-Energy Landscape of a Thrombin-Binding DNA Aptamer in Aqueous Environment

适体 能源景观 分子动力学 堆积 寡核苷酸 化学 折叠(DSP实现) G-四倍体 碱基对 结晶学 碱基 化学物理 生物物理学 DNA 计算化学 生物 生物化学 电气工程 工程类 遗传学 有机化学
作者
Eunae Kim,Changwon Yang,Youngshang Pak
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:8 (11): 4845-4851 被引量:28
标识
DOI:10.1021/ct300714u
摘要

Thrombin-binding aptamer (TBA-15) is a single-stranded 15-mer oligonucleotide that has a wide range of biomedical applications. In the presence of metal cations of proper sizes, this aptamer displays G-quadruplexes with a single cation enclosed at its central binding site when it is completely folded. To understand how this aptamer folds into its stable three-dimensional structure in the presence of K(+) ions, we carried out free-energy calculations using the state-of-art replica exchange molecular dynamics simulation (REMD) at the all-atom level. The resulting free energy map revealed that TBA-15 follows a two-state folding behavior with a substantially large folding barrier of 6 kcal/mol at ambient temperature. Our simulation showed that the intervening TGT-loop, which is located in the middle of the TBA-15 sequence, virtually remains intact regardless of folding and unfolding states. Furthermore, in the conserved TGT-loop structure, the base-pair stacking of G8 and T9 induces the native-like base orientations of G6 and G10 pertaining to the upper G-quadrant. This stacking interaction enhances the loop stability and reduces its dynamic fluctuations. Interestingly, for the G-stem to fold into its native state, the aggregation of the G8 and T9 residues in the TGT-loop is a key step for initiating the folding event of the G-stem by capturing a bulky cation.
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