Modelling the B-DNA base pair opening reaction

¹ Centre de Biophysique Moléculaire, 1A, avenue de la Recherche Scientifique, 45071 Orléans, France ;
² Institut de Biologie Physico-Chimique, 13, rue Pierre-et-Marie-Curie, Paris 75005, France.

Abstract

Molecular modelling has been used to study the opening of the central base pair of a B- DNA oligonucleotide (dA)₅.(dT)₅. In our model, opening occurs by rotating the bases around an axis passing through the centre of the sugar connected to the opening base and oriented perpendicularly to the plane of the base. The results of this study show that the opening energies obtained for a single base pair are compatible with the activation energies deduced from hydrogen exchange experiments. Studies of possible opening pathways show that many possibilities exist although there is an overall preference for opening towards the major groove. In addition, we have demonstrated that a coupling exists between opening and DNA bending: bending the double helix facilitates base pair opening and, conversely, opening a base pair bends DNA and increases its local flexibility. Finally, based on the opening energetics obtained, we have carried out a Brownian dynamics study of the opening kinetics which again leads to results in good correlation with experimental findings and indicates that the base pair opening reaction is of a stochastic nature.

Résumé

L’ouverture de la paire de bases centrale dans l’oligonucleotide (dA)₅.(dT)₅ en conformation B a été étudiée par modélisation moléculaire. Dans notre modèle, l’ouverture des bases se fait par une rotation autour d’un axe passant par le milieu du sucre ajacent et perpendiculaire au plan de la base. Les résultats montrent que les énergies mises en jeu pour l’ouverture d’une seule paire de bases sont compatibles avec les énergies d’activation déduites à partir des expériences d’échange de protons. Par ailleurs, l’exploration des différents chemins d’ouverture a montré que plusieurs possibilités existent quoique l’ouverture des bases vers le grande sillon soit la plus avantageuses. De surcroît, nous avons mis en évidence un couplage important entre l’énergie d’ouverture et l’énergie de courbure de la double hélice: la courbure de l’ADN facilite l’ouverture des bases et, réciproquement, une paire de bases ouverte entraine spontanément la courbure de l’ADN et une augmentation de sa flexibilité locale. Enfin, en utilisant notre modèle d’ouverture et les énergies calculées correspondantes, nous avons simulé par dynamique Brownienne, la dépendance en fonction du temps de la position des bases. Les résultats obtenus sont en bon accord avec les valeurs expérimentales correspondantes et suggère que le processus d’ouverture des bases est d’origine stochastique.