Molecular dynamics simulations of RNA: An in silico single molecule approach

Biopolymers

Volumn 85, Issue 2, 2007, Pages 169-184

  McDowell, S Elizabeth ^a   Špačková, Nad'a ^b   Šponer, Jiří ^b,c   Walter, Nils G ^a  

^a UNIVERSITY OF MICHIGAN   (United States)

^b INSTITUTE OF BIOPHYSICS   (Czech Republic)

^c INSTITUTE OF ORGANIC CHEMISTRY AND BIOCHEMISTRY   (Czech Republic)

Author keywords

Hydration and cation binding; Molecular dynamics; Nucleic acid protein complex; RNA; Structure activity relationship

Indexed keywords

CATALYSIS; COMPUTATIONAL METHODS; COMPUTER SIMULATION; MOLECULAR DYNAMICS; PROTEINS; SOLVENTS;

CATION BINDING; IN SILICO SINGLE MOLECULE; NUCLEIC ACID PROTEIN COMPLEXES; STRUCTURE ACTIVITY RELATIONSHIPS;

RNA;

RIBOZYME; RNA;

COMPUTER MODEL; MOLECULAR DYNAMICS; PROTEIN RNA BINDING; PROTEIN STRUCTURE; REVIEW; RNA BINDING; RNA STRUCTURE; SIMULATION;

CATALYSIS; COMPUTATIONAL BIOLOGY; COMPUTER SIMULATION; NUCLEIC ACID CONFORMATION; RNA; RNA-BINDING PROTEINS;

EID: 33847318371     PISSN: 00063525     EISSN: 10970282     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/bip.20620     Document Type: Review

References (164)

1. Kruger, K.; Grabowski, P. J.; Zaug, A. J.; Sands, J.; Gottschling, D. E.; Cech, T. R. Cell 1982, 31, 147-158.
2. Guerrier-Takada, C.; Gardiner, K.; Marsh, T.; Pace, N.; Altman, S. Cell 1983, 35, 849-857.
3. Flores, R.; Delgado, S.; Gas, M. E.; Carbonell, A.; Molina, D.; Gago, S.; De la Pena, M. FEBS Lett 2004, 567, 42-48.
4. Dorsett, Y.; Tuschl, T. Nat Rev Drug Discov 2004, 3, 318-329.
5. Hannon, G. J.; Rossi, J. J. Nature 2004, 431, 371-378.
6. He, L.; Hannon, G. J. Nat Rev Genet 2004, 5, 522-531.
7. Meister, G.; Tuschl, T. Nature 2004, 431, 343-349.
8. Storz, G.; Altuvia, S.; Wassarman, K. M. Annu Rev Biochem 2005, 74, 199-217.
9. Ryther, R. C.; Flynt, A. S.; Phillips, J. A., III; Patton, J. G. Gene Ther 2005, 12, 5-11.
10. Zamore, P. D.; Haley, B. Science 2005, 309, 1519-1524.
11. Lu, P. Y.; Xie, F.; Woodle, M. C. Adv Genet 2005, 54, 117-142.
12. Sontheimer, E. J.; Carthew, R. W. Cell 2005, 122, 9-12.
13. Filipowicz, W.; Jaskiewicz, L.; Kolb, F. A.; Pillai, R. S. Curr Opin Struct Biol 2005, 15, 331-341.
14. Huttenhofer, A.; Schattner, P. Nat Rev Genet 2006, 7, 475-482.
15. Mattick, J. S.; Makunin, I. V. Hum Mol Genet 2006, 15, R17-R29.
16. Hammond, S. M. Curr Opin Genet Dev 2006, 16, 4-9.
17. Chang, S. C.; Tucker, T.; Thorogood, N. P.; Brown, C. J. Front Biosci 2006, 11, 852-866.
18. Lau, N. C.; Seto, A. G.; Kim, J.; Kuramochi-Miyagawa, S.; Nakano, T.; Bartel, D. P.; Kingston, R. E. Science 2006, 313, 363-367.
19. Pollard, K. S.; Salama, S. R.; Lambert, N.; Lambot, M. A.; Coppens, S.; Pedersen, J. S.; Katzman, S.; King, B.; Onodera, C.; Siepel, A.; Kern, A. D.; Dehay, C.; Igel, H.; Ares, M., Jr.; Vanderhaeghen, P.; Haussler, D. Nature 2006, 443, 167-172.
20. Willingham, A. T.; Orth, A. P.; Batalov, S.; Peters, E. C.; Wen, B. G.; Aza-Blanc, P.; Hogenesch, J. B.; Schultz, P. G. Science 2005, 309, 1570-1573.
21. Gesteland, R. F.; Cech, T.; Atkins, J. F. The RNA World: The Nature of Modern RNA Suggests a Prebiotic RNA World; Cold Spring Harbor Laboratory: Cold Spring Harbor, NY, 2006.
22. Sponer, J.; Lankas, F.; Eds. Computational Studies of RNA and DNA; Springer: The Netherlands, 2006.
23. Nelson, J. A.; Uhlenbeck, O. C. Mol Cell 2006, 23, 447-450.
24. Mei, H. Y.; Kaaret, T. W.; Bruice, T. C. Proc Natl Acad Sci USA 1989, 86, 9727-9731.
25. Nilsson, L.; Ahgren-Stalhandske, A.; Sjogren, A. S.; Hahne, S.; Sjoberg, B. M. Biochemistry 1990, 29, 10317-10322.
26. Scott, W. G.; Finch, J. T.; Klug, A. Cell 1995, 81, 991-1002.
27. Martick, M.; Scott, W. G. Cell 2006, 126, 309-320.
28. Doudna, J. A. Nat Chem Biol 2005, 1, 300-303.
29. Berman, H. M.; Westbrook, J.; Feng, Z.; Gilliland, G.; Bhat, T. N.; Weissig, H.; Shindyalov, I. N.; Bourne, P. E. Nucleic Acids Res 2000, 28, 235-242.
30. Sanbonmatsu, K. Y.; Joseph, S. J Mol Biol 2003, 328, 33-47.
31. Sanbonmatsu, K. Y.; Joseph, S.; Tung, C. S. Proc Natl Acad Sci USA 2005, 102, 15854-15859.
32. Cheatham, T. E.; Miller, J. L.; Fox, T.; Darden, T. A.; Kollman, P. A. J Am Chem Soc 1995, 117, 4193-4194.
33. Sponer, J.; Jurecka, P.; Marchan, I.; Luque, F. J.; Orozco, M.; Hobza, P. Chem Eur J 2006, 12, 2854-2865.
34. Sponer, J. E.; Spackova, N.; Leszczynski, J.; Sponer, J. J Phys Chem B 2005, 109, 11399-11410.
35. Pan, Y.; MacKerell, A. D., Jr. Nucleic Acids Res 2003, 31, 7131-7140.
36. Snoussi, K.; Leroy, J. L. Biochemistry 2001, 40, 8898-8904.
37. Sorin, E. J.; Rhee, Y. M.; Pande, V. S. Biophys J 2005, 88, 2516-2524.
38. Sorin, E. J.; Rhee, Y. M.; Nakatani, B. J.; Pande, V. S. Biophys J 2003, 85, 790-803.
39. York, D. M.; Darden, T. A.; Pedersen, L. G. J Chem Phys 1993, 99, 8345-8348.
40. Hunenberger, P. H.; McCammon, J. A. J Chem Phys 1999, 110, 1856-1872.
41. Kastenholz, M. A.; Hunenberger, P. H. J Phys Chem B 2004, 108, 774-788.
42. Halgren, T. A. J Comput Chem 1996, 17, 520-552.
43. Cieplak, P.; Cornell, W. D.; Bayly, C.; Kollman, P. A. J Comput Chem 1995, 16, 1357-1377.
44. Reynolds, C. A.; Essex, J. W.; Richards, W. G. J Am Chem Soc 1992, 114, 9075-9079.
45. Krasovska, M. V.; Sefcikova, J.; Reblova, K.; Schneider, B.; Walter, N. G.; Sponer, J. Biophys J 2006, 91, 626-638.
46. Rhodes, M. M.; Reblova, K.; Sponer, J.; Walter, N. G. Proc Natl Acad Sci USA 2006, 103, 13381-13385.
47. Sponer, J.; Burda, J. V.; Sabat, M.; Leszczynski, J.; Hobza, P. J Phys Chem A 1998, 102, 5951-5957.
48. Sponer, J.; Sabat, M.; Gorb, L.; Leszczynski, J.; Lippert, B.; Hobza, P. J Phys Chem B 2000, 104, 7535-7544.
49. Reblova, K.; Lankas, F.; Razga, F.; Krasovska, M. V.; Koca, J.; Sponer, J. Biopolymers 2006, 82, 504-520.
50. Razga, F.; Koca, J.; Sponer, J.; Leontis, N. B. Biophys J 2005, 88, 3466-3485.
51. Dang, L. X.; Chang, T. M. J Phys Chem B 2002, 106, 235-238.
52. Cheatham, T. E. Curr Opin Struct Biol 2004, 14, 360-367.
53. Vaiana, A. C.; Westhof, E.; Auffinger, P. Biochimie 2006, 88, 1061-1073.
54. Reblova, K.; Spackova, N.; Stefl, R.; Csaszar, K.; Koca, J.; Leontis, N. B.; Sponer, J. Biophys J 2003, 84, 3564-3582.
55. Varnai, P.; Zakrzewska, K. Nucleic Acids Res 2004, 32, 4269-4280.
56. Ponomarev, S. Y.; Thayer, K. M.; Beveridge, D. L. Proc Natl Acad Sci USA 2004, 101, 14771-14775.
57. Reblova, K.; Spackova, N.; Sponer, J. E.; Koca, J.; Sponer, J. Nucleic Acids Res 2003, 31, 6942-6952.
58. Fadrna, E.; Spackova, N.; Stefl, R.; Koca, J.; Cheatham, T. E.; Sponer, J. Biophys J 2004, 87, 227-242.
59. Spackova, N.; Berger, I.; Sponer, J. J Am Chem Soc 1999, 121, 5519-5534.
60. Simmerling, C.; Miller, J. L.; Kollman, P. A. J Am Chem Soc 1998, 120, 7149-7155.
61. Sefcikova, J.; Krasovska, M. V.; Sponer, J.; Walter, N. G. Nucleic Acids Res, in press.
62. Cojocaru, V.; Klement, R.; Jovin, T. M. Nucleic Acids Res 2005, 33, 3435-3446.
63. Cheng, X. L.; Hornak, V.; Simmerling, C. J Phys Chem B 2004, 108, 426-437.
64. Razga, F.; Zacharias, M.; Reblova, K.; Koca, J.; Sponer, J. Structure 2006, 14, 825-835.
65. Zacharias, M. Curr Opin Struct Biol 2000, 10, 311-317.
66. Stefl, R.; Cheatham, T. E.; Spackova, N.; Fadrna, E.; Berger, I.; Koca, J.; Sponer, J. Biophys J 2003, 85, 1787-1804.
67. Spackova, N.; Cheatham, T. E.; Ryjacek, F.; Lankas, F.; van Meervelt, L.; Hobza, P.; Sponer, J. J Am Chem Soc 2003, 125, 1759-1769.
68. Mokdad, A.; Krasovska, M. V.; Sponer, J.; Leontis, N. B. Nucleic Acids Res 2006, 34, 1326-1341.
69. Villescas-Diaz, G.; Zacharias, M. Biophys J 2003, 85, 416-425.
70. Yang, G.; Trylska, J.; Tor, Y.; McCammon, J. A. J Med Chem 2006, 49, 5478-5490.
71. Trylska, J.; McCammon, J. A.; Brooks, C. L. J Am Chem Soc 2005, 127, 11125-11133.
72. Li, W.; Ma, B. Y.; Shapiro, B. A. Nucleic Acids Res 2003, 31, 629-638.
73. Barthel, A.; Zacharias, M. Biophys J 2006, 90, 2450-2462.
74. Isaksson, J.; Acharya, S.; Barman, J.; Cheruku, P.; Chattopadhyaya, J. Biochemistry 2004, 43, 15996-16010.
75. Hart, K.; Nystrom, B.; Ohman, M.; Nilsson, L. RNA 2005, 11, 609-618.
76. Schneider, C.; Brandl, M.; Suhnel, J. J Mol Biol 2001, 305, 659-667.
77. Fadrna, E.; Koca, J. J Biomol Struct Dyn 2003, 20, 715-732.
78. Kaukinen, U.; Venalainen, T.; Lonnberg, H.; Perakyla, M. Org Biomol Chem 2003, 1, 2439-2447.
79. Noy, A.; Perez, A.; Lankas, F.; Javier Luque, F.; Orozco, M. J Mol Biol 2004, 343, 627-638.
80. Noy, A.; Perez, A.; Marquez, M.; Luque, F. J.; Orozco, M. J Am Chem Soc 2005, 127, 4910-4920.
81. Joli, F.; Hantz, E.; Hartmann, B. Biophys J 2006, 90, 1480-1488.
82. Varnai, P.; Canalia, M.; Leroy, J.-L. J Am Chem Soc 2004, 126, 14659-14667.
83. Pan, Y.; Priyakumar, U. D.; MacKerell, A. D., Jr. Biochemistry 2005, 44, 1433-1443.
84. Csaszar, K.; Spackova, N.; Stefl, R.; Sponer, J.; Leontis, N. B. J Mol Biol 2001, 313, 1073-1091.
85. Premraj, B. J.; Raja, S.; Yathindra, N. Biophys Chem 2002, 95, 253-272.
86. Gyi, J. I.; Gao, D.; Conn, G. L.; Trent, J. O.; Brown, T.; Lane, A. N. Nucleic Acids Res 2003, 31, 2683-2693.
87. Sarzynska, J.; Nilsson, L.; Kulinski, T. Biophys J 2003, 85, 3445-3459.
88. Zacharias, M.; Engels, J. W. Nucleic Acids Res 2004, 32, 6304-6311.
89. Nina, M.; Fonne-Pfister, R.; Beaudegnies, R.; Chekatt, H.; Jung, P. M. J.; Murphy-Kessabi, F.; De Mesmaeker, A.; Wendeborn, S. J Am Chem Soc 2005, 127, 6027-6038.
90. Sarzynska, J.; Kulinski, T. J Biomol Struct Dyn 2005, 22, 425-439.
91. Kulinski, T.; Olejniczak, M.; Huthoff, H.; Bielecki, L.; Pachulska-Wieczorek, K.; Das, A. T.; Berkhout, B.; Adamiak, R. W. J Biol Chem 2003, 278, 38892-38901.
92. Seetharaman, M.; Williams, C.; Cramer, C. J.; Musier-Forsyth, K. Nucleic Acids Res 2003, 31, 7311-7321.
93. Aci, S.; Ramstein, J.; Genest, D. J Biomol Struct Dyn 2004, 21, 833-840.
94. Koplin, J.; Mu, Y.; Richter, C.; Schwalbe, H.; Stock, G. Structure 2005, 13, 1255-1267.
95. Yingling, Y. G.; Shapiro, B. A. J Mol Biol 2005, 348, 27-42.
96. Nagan, M. C.; Beuning, P.; Musier-Forsyth, K.; Cramer, C. J. Nucleic Acids Res 2000, 28, 2527-2534.
97. Nagan, M. C.; Kerimo, S. S.; Musier-Forsyth, K.; Cramer, C. J. J Am Chem Soc 1999, 121, 7310-7317.
98. Villa, A.; Stock, G. J Chem Theory Comput 2006, 2, 1228-1236.
99. Bielecki, L.; Popenda, M.; Adamiak, R. W. Nucleic Acids Symp Ser 2002, 2, 57-58.
100. Cheng, X.; Cui, G.; Hornak, V.; Simmerling, C. J Phys Chem B 2005, 109, 8220-8230.
101. Auffinger, P.; Louise-May, S.; Westhof, E. Biophys J 1999, 76, 50-64.
102. Razga, F.; Spackova, N.; Reblova, K.; Koca, J.; Leontis, N. B.; Sponer, J. J Biomol Struct Dyn 2004, 22, 183-194.
103. Spackova, N.; Sponer, J. Nucleic Acids Res 2006, 34, 697-708.
104. Auffinger, P.; Bielecki, L.; Westhof, E. Chem Biol 2003, 10, 551-561.
105. Auffinger, P.; Bielecki, L.; Westhof, E. J Mol Biol 2004, 335, 555-571.
106. Golebiowski, J.; Antonczak, S.; Di-Giorgio, A.; Condom, R.; Cabrol-Bass, D. J Mol Model (Online) 2004, 10, 60-68.
107. Kieken, F.; Arnoult, E.; Barbault, F.; Paquet, F.; Huynh-Dinh, T.; Paoletti, J.; Genest, D.; Lancelot, G. Eur Biophys J 2002, 31, 521-531.
108. Beaurain, F.; Laguerre, M. Oligonucleotides 2003, 13, 501-514.
109. Beaurain, F.; Di Primo, C.; Toulme, J. J.; Laguerre, M. Nucleic Acids Res 2003, 31, 4275-4284.
110. Aci, S.; Gangneux, L.; Paoletti, J.; Genest, D. Biopolymers 2004, 74, 177-188.
111. Golebiowski, J.; Antonczak, S.; Fernandez-Carmona, J.; Condom, R.; Cabrol-Bass, D. J Mol Model (Online) 2004, 10, 408-417.
112. Aci, S.; Mazier, S.; Genest, D. J Mol Biol 2005, 351, 520-530.
113. Auffinger, P.; Westhof, E. Biophys Chem 2002, 95, 203-210.
114. Tsui, V.; Case, D. A. J Phys Chem B 2001, 105, 11314-11325.
115. Yeh, I.-C.; Hummer, G. Biophys J 2004, 86, 681-689.
116. Yeh, I.-C.; Hummer, G. Proc Natl Acad Sci USA 2004, 101, 12177-12182.
117. Harvey, S. C.; Prabhakaran, M.; Mao, B.; McCammon, J. A. Science 1984, 223, 1189-1191.
118. Nina, M.; Simonson, T. J Phys Chem B 2002, 106, 3696-3705.
119. Leontis, N. B.; Stombaugh, J.; Westhof, E. Nucleic Acids Res 2002, 30, 3497-3531.
120. Correll, C. C.; Freeborn, B.; Moore, P. B.; Steitz, T. A. Cell 1997, 91, 705-712.
121. Leontis, N. B.; Westhof, E. RNA 1998, 4, 1134-1153.
122. Reblova, K.; Spackova, N.; Koca, J.; Leontis, N. B.; Sponer, J. Biophys J 2004, 87, 3397-3412.
123. Vallurupalli, P.; Moore, P. B. J Mol Biol 2003, 325, 843-856.
124. Klein, D. J.; Schmeing, T. M.; Moore, P. B.; Steitz, T. A. EMBO J 2001, 20, 4214-4221.
125. Frank, J.; Spahn, C. M. T. Rep Prog Phys 2006, 69, 1383-1417.
126. Krasovska, M. V.; Sefcikova, J.; Spackova, N.; Sponer, J.; Walter, N. G. J Mol Biol 2005, 351, 731-748.
127. Park, H.; Lee, S. J Chem Theory Comput 2006, 2, 858-862.
128. Torres, R. A.; Bruice, T. C. J Am Chem Soc 2000, 122, 781-791.
129. Van Wynsberghe, A. W.; Cui, Q. Biophys J 2005, 89, 2939-2949.
130. Perrotta, A. T.; Shih, I.; Been, M. D. Science 1999, 286, 123-126.
131. Nakano, S.; Chadalavada, D. M.; Bevilacqua, P. C. Science 2000, 287, 1493-1497.
132. Wadkins, T. S.; Shih, I.; Perrotta, A. T.; Been, M. D. J Mol Biol 2001, 305, 1045-1055.
133. Shih, I. H.; Been, M. D. Annu Rev Biochem 2002, 71, 887-917.
134. Ke, A.; Zhou, K.; Ding, F.; Cate, J. H.; Doudna, J. A. Nature 2004, 429, 201-205.
135. Das, S.; Piccirilli, J. Nat Chem Biol 2005, 1, 45-52.
136. Ferre-D'Amare, A. R.; Doudna, J. A. J Mol Biol 2000, 295, 541-556.
137. Hermann, T.; Westhof, E. J Mol Biol 1998, 276, 903-912.
138. Murray, J. B.; Meroueh, S. O.; Russell, R. J. M.; Lentzen, G.; Haddad, J.; Mobashery, S. Chem Biol 2006, 13, 129-138.
139. Nakamura, M.; Fukunaga, Y.; Sasa, K.; Ohtoshi, Y.; Kanaori, K.; Hayashi, H.; Nakano, H.; Yamana, K. Nucleic Acids Res 2005, 33, 5887-5895.
140. Schneider, C.; Suhnel, J. Biopolymers 1999, 50, 287-302.
141. Yusupov, M. M.; Yusupova, G. Z.; Baucom, A.; Lieberman, K.; Earnest, T. N.; Cate, J. H. D.; Noller, H. F. Science 2001, 292, 883-896.
142. Guo, J. X.; Gmeiner, W. H. Biophys J 2001, 81, 630-642.
143. Castrignano, T.; Chillemi, G.; Varani, G.; Desideri, A. Biophys J 2002, 83, 3542-3552.
144. Barvik, I., Jr. Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 2005, 24, 435-441.
145. Sanjeev, B. S.; Vishveshwara, S. J Biomol Struct Dyn 2005, 22, 657-672.
146. Ziolkowska, K.; Derreumaux, P.; Folichon, M.; Pellegrini, O.; Regnier, P.; Boni, I. V.; Hajnsdorf, E. Nucleic Acids Res 2006, 34, 709-720.
147. Suenaga, A.; Okimoto, N.; Futatsugi, N.; Hirano, Y.; Narumi, T.; Ohno, Y.; Yanai, R.; Hirokawa, T.; Ebisuzaki, T.; Konagaya, A.; Taiji, M. Biochem Biophys Res Commun 2006, 343, 90-98.
148. Reyes, C. M.; Nifosi, R.; Frankel, A. D.; Kollman, P. A. Biophys J 2001, 80, 2833-2842.
149. Fisher, T. S.; Darden, T.; Prasad, V. R. J Virol 2003, 77, 5837-5845.
150. Mu, Y.; Stock, G. Biophys J 2006, 90, 391-399.
151. Pantano, S.; Marcello, A.; Ferrari, A.; Gaudiosi, D.; Sabo, A.; Pellegrini, V.; Beltram, F.; Giacca, M.; Carloni, P. Proteins 2006, 62, 1062-1073.
152. Li, W.; Sengupta, J.; Rath, B. K.; Frank, J. RNA 2006, 12, 1240-1253.
153. Li, W.; Ma, B. Y.; Shapiro, B. A. J Biomol Struct Dyn 2001, 19, 381-396.
154. Trobro, S.; Aqvist, J. Proc Natl Acad Sci USA 2005, 102, 12395-12400.
155. Trylska, J.; Tozzini, V.; McCammon, J. A. Biophys J 2005, 89, 1455-1463.
156. Freddolino, P. L.; Arkhipov, A. S.; Larson, S. B.; McPherson, A.; Schulten, K. Structure 2006, 14, 437-449.
157. Blakaj, D. M.; McConnell, K. J.; Beveridge, D. L.; Baranger, A. M. J Am Chem Soc 2001, 123, 2548-2551.
158. Reyes, C. M.; Kollman, P. A. RNA 1999, 5, 235-244.
159. Pitici, F.; Beveridge, D. L.; Baranger, A. M. Biopolymers 2002, 65, 424-435.
160. Showalter, S. A.; Hall, K. B. J Mol Biol 2004, 335, 465-480.
161. Showalter, S. A.; Hall, K. B. Biophys J 2005, 89, 2046-2058.
162. Kormos, B. L.; Baranger, A. M.; Beveridge, D. L. J Am Chem Soc 2006, 128, 8992-8993.
163. Law, M. J.; Linde, M. E.; Chambers, E. J.; Oubridge, C.; Katsamba, P. S.; Nilsson, L.; Haworth, I. S.; Laird-Offringa, I. A. Nucleic Acids Res 2006, 34, 275-285.
164. Zhao, Y.; Kormos, B. L.; Beveridge, D. L.; Baranger, A. M. Biopolymers 2006, 81, 256-269.