The marvelous dna macromolecule: computer modeling of dna 3d structure and diversity of watson-crick duplex conformations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The work reviews the development of ideas about the 3D structure of DNA and the mechanisms of its formation, from the discovery of the Double Helix to the present day. It tracks the methods of modeling the 3D structure at different stages of the study of the main molecule of life. The discussion underscores a marvelous expedient in DNA molecular structure and its adaptability to important biological functions based on the results of calculations of the intra- and intermolecular interactions of macromolecule subunits. The work presents new data about substantial contribution of chemically monotonous and conformationally flexible sugarphosphate backbone to the formation of sequence-dependent 3D structure of DNA. The diversity of the conformational possibilities of DNA is visible both in the formation of duplexes (as well as triplexes and quadruplexes) with different geometric parameters for base pairs and in the formation of duplexes with Watson-Crick nucleoside pairs containing local conformations corresponding to different regions of the torsion angles of the sugar-phosphate backbone (different conformational classes). Based on our calculations, these classes can be divided into two groups. The first group includes local conformations in which the torsion angles are close to one of energy minima of its isolated elemental repeating fragment, and the second group consists of conformations with one or more of these angles deviating from that of the nearest energy minimum by more than 30°. The regularities of the formation of the local 3D structure of these two groups differ significantly.

About the authors

V. Poltev

Autonomous University of Puebla

Email: poltev@fcfm.buap.mx
Puebla, Mexico

V. Dominguez

Autonomous University of Puebla

Puebla, Mexico

A. Ruiz

Autonomous University of Puebla

Puebla, Mexico

A. Deriabina

Autonomous University of Puebla

Puebla, Mexico

E. Gonzalez

Autonomous University of Puebla

Puebla, Mexico

References

  1. J. D. Watson and F. H. C. Crick, Nature, 171, 964 (1953).
  2. H. M. Berman, W. K. Olson, D. L. Beveridge, et al., Biophys. J., 63, 751 (1992).
  3. Б. И. Сухоруков, В. И. Полтев и Л. А. Блюменфельд, Докл. АН СССР, 149, 1380 (1963).
  4. A. G. W. Leslie, S. Arnott, R. Chandrasekaran, and R. L. Ratliff, J. Mol. Biol., 143, 49 (1980).
  5. V. Poltev, In Handbook of Computational Chemistry, Ed. by J. Leszczynski et al. (Springer Int. Publ., Switzerland, 2017), р. 21.
  6. H. DeVoe and I. Tinoco, J. Mol. Biol., 4, 500 (1962).
  7. D. F. Bradley, S. Lifson, and B. Honig, In Electronic Aspects of Biochemistry, Ed. by B. Pullman (Acad. Press Inc., New York, 1964), р. 77.
  8. H. A. Nash and D. F. Bradley, J. Chem. Phys., 45, 1380 (1964).
  9. J. Langlet, P. Claverie, F. Caron, and J. C. Boeuve, Int. J. Quant. Chem., 20, 299 (1981).
  10. N. Gresh, P. Claverie, and A. Pullman, Int. J. Quant. Chem., 29, 101 (1986).
  11. A. Pullman and B. Pullman, Adv. Quant. Chem., 4, 267 (1968).
  12. В. И. Полтев и Б. И. Сухоруков, Биофизика, 12, 763 (1967).
  13. F. A. Momany, R. McGuire, A. Burgess, and H. Scheraga, J. Phys. Chem., 79, 2361 (1975).
  14. В. Б. Журкин, В. И. Полтев и В. Л. Флорентьев, Молекуляр. биология, 14, 1116 (1980).
  15. V. I. Poltev, T. I. Grokhlina, and G. G. Malenkov, J. Biomol. Stuct. Dyn., 2, 413 (1984).
  16. V. E. Khutorsky and V. I. Poltev, Nature, 264, 483 (1976).
  17. В. И. Полтев и В. И. Брусков, Молекуляр. биология, 11, 661 (1977).
  18. V. P. Chuprina and V. I. Poltev, Nucl. Acids Res., 11, 5205 (1983).
  19. M. Topal and J. Fresco, Nature, 263, 285 (1976).
  20. В. Полтев, A. Дерябина, В. Домингес и др. Биофизика, 64, 243 (2019).
  21. D. A. Case, H. M. Aktulga, K. Belfon, et al., AMBER 2021 (University of California, San Francisco, 2021).
  22. K. Vanommeslaeghe and A. D. MacKerell, Jr., Biochim. Biophys. Acta, 1850, 861 (2015).
  23. R. E. Dickerson and H. R. Drew, J. Mol. Biol., 149, 761 (1981).
  24. J. Černý, P. Božíková, J. Svoboda, and B. Schneider, Nucl. Acids Res., 48, 6367 (2020).
  25. I. Ivani, P. D. Dans, A. Noy, et al., Nat. Methods, 13, 55 (2016).
  26. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, et al., Gaussian-09 Revision D.01 (Gaussian Inc, Wallingford, CT, USA, 2009).
  27. V. I. Poltev, V. M. Anisimov, V. I. Danilov, et al., J. Biomol. Struct. Dyn., 25, 563 (2008).
  28. V. I. Poltev, V. M. Anisimov, V. I. Danilov, et al., Int. J. Quant. Chem., 110, 2548 (2010).
  29. V. I. Poltev, V. M. Anisimov, V. I. Danilov, et al., Comput. Theor. Chem., 975, 69 (2011).
  30. V. I. Poltev, V. M. Anisimov, V. I. Danilov, et al., Biopolymers, 101, 640 (2014).
  31. В. И. Полтев, В. М. Анисимов, К. Санчес и др., Биофизика, 61, 259 (2016).
  32. V. Poltev, V. M. Anisimov, V. Dominguez, et al., J. Mol. Model., 24, 46 (2018).
  33. V. Poltev, V. M. Anisimov, V. Dominguez, et al., In Proc. of Advances in Quantum Systems in Chemistry, Physics, and Biology, Ed. by L. Mammino et al. (Springer: Cham, Germany, 2020), р. 233.
  34. V. Poltev, V. M. Anisimov, V. Dominguez, et al., Computation, 9, 98 (2021).
  35. R. E. Dickerson, In Structure, Motion, Interaction and Expression of Biological Macromolecules, Ed. by R. H. Sarma and M. H. Sarma (Adenine Press, Albany, NY, 1998), р. 17.
  36. D. Schneider, P. Božíková, I. Nečasová, et al., Acta Crystallogr. D, 74, 52 (2018).
  37. D. Svozil, J. Kalina, M. Omelka, and B. Schneider, Nucl. Acids Res., 36, 3690 (2008).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».