Studying DNA opening during transcription by the RNA polymerase II with molecular dynamics simulations, a sampling challenge

Abstract

Die RNA-Polymerase II (RNAP II) ist ein makromolekularer Komplex, der die RNA aus einer DNA-Matrize synthetisiert. Während des Initiationsschritts der Transkription, öffnet RNAP II die doppelsträngige DNA, um den DNA-Code freizulegen. Da die Bildung der DNA-Transkriptionsblase nur unzureichend verstanden ist, nutzten wir Molekulardynamik-Simulationen (MD), um Erkenntnisse über diesen Prozess zu erlangen. Da die DNA-Öffnung auf Zeitskalen erfolgt, die für einfache MD Simulationen nicht zugänglich sind, prüften wir verschiedene Enhanced Sampling Methoden, um die MD Simulationen zu beschleunigen und den DNA-Öffnungsprozess zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass die vielversprechendste Methode zur Untersuchung der DNA-Öffnung die Steuerung von Simulationen mit einer Kombination aus (i) geführter DNA-Rotation und (ii) Path Collective Variables war. Auf diese Weise erhielten wir kontinuierliche atomare Trajektorien des gesamten DNA-Öffnungsprozesses, welche qualitative Einblicke in die Rolle der Protein–DNA Wechselwirkungen im Allgemeinen ermöglichten. Mit dem Ziel die DNA-Öffnung quantitativer zu beschreiben, möchten wir weitere Enhanced Sampling Techniken untersuchen, welche wir auf einen einfachen Prozess anwenden: die Permeation von Fosmidomycin durch das OprO Porin. Es zeigte sich, dass das Replica-Exchange Umbrella Sampling in der Lage ist, die Genauigkeit des Profils der freien Energie drastisch zu erhöhen, im Vergleich zu gewöhnlichem Umbrella Sampling.

RNA polymerase II (RNAP II) is a macro-molecular complex that synthesizes RNA by reading the DNA code, a process called transcription. During the initiation step of transcription, RNAP II opens double-stranded DNA in order to read the DNA code. Since formation of the DNA transcription bubble remains poorly understood, we used molecular dynamics simulations (MD) to provide atomic-level insights into this process. Because DNA opening occurs at time-scales that are not accessible to plain MD simulations, we have explored different enhanced sampling methods to accelerate MD simulations enabling to study the DNA opening process. Ultimately, by steering simulations with a combination of (i) guided DNA rotation and (ii) path collective variables, we obtained a continuous atomic trajectories of the complete DNA opening process. The simulations provided qualitative insights into the role of loop dynamics and protein-DNA interactions during DNA opening. With the aim of obtaining a more quantitative description of DNA opening, we decided to further explore alternative enhanced sampling techniques applied on a simpler process, yet still challenging from a sampling perspective, that is drug permeation through the OprO porin. This study showed that replica-exchange umbrella sampling (REUS) is able to drastically increase precision of free energy profiles compared to standard umbrella sampling.