Impact of 2′-hydroxyl sampling on the conformational properties of RNA: Update of the CHARMM all-atom additive force field for RNA

Journal of Computational Chemistry

Volumn 32, Issue 9, 2011, Pages 1929-1943

  Denning, Elizabeth J ^a   Priyakumar, U Deva ^a   Nilsson, Lennart ^a   MacKerell Jr , Alexander D ^a  

^a UNIVERSITY OF MARYLAND SCHOOL OF PHARMACY   (United States)

Author keywords

2 hydroxyl; empirical force field; molecular dynamics; quantum mechanics; ribonucleic acid; Watson Crick base pairs

Indexed keywords

CONFORMATIONAL HETEROGENEITY; CONFORMATIONAL PROPERTIES; CONFORMATIONAL TRANSITIONS; CRYSTALLOGRAPHIC DATA; EMPIRICAL FORCE FIELD; ENERGY MINIMA; FORCE FIELD PARAMETERS; FORCE FIELDS; HYDRATION BEHAVIORS; HYDROXYL MOIETY; J COUPLING; MODEL COMPOUND; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS; PARAMETER SET; QUANTUM MECHANICAL; QUANTUM MECHANICS; RIBONUCLEIC ACID; RNA MOLECULES; WATSON-CRICK BASE PAIRS;

CONFORMATIONS; DYNAMICS; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULAR ORIENTATION; OPTIMIZATION; QUANTUM THEORY; RNA;

NUCLEIC ACIDS;

HYDROXIDE; HYDROXIDE ION; RNA;

ARTICLE; CHEMISTRY; COMPUTER PROGRAM; CONFORMATION; QUANTUM THEORY;

HYDROXIDES; NUCLEIC ACID CONFORMATION; QUANTUM THEORY; RNA; SOFTWARE;

EID: 79955484353     PISSN: 01928651     EISSN: 1096987X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/jcc.21777     Document Type: Article

References (96)

1. Hall, K. B., Curr Opin Chem Biol 2008, 12, 612.
2. Thirumalai, D.; Lee, N.; Woodson, S. A.; Klimov, D., Annu Rev Phys Chem 2001, 52, 751.
3. Alemán, E. A.; Lamichhane, R.; Rueda, D., Curr Opin Chem Biol 2008, 12, 647.
4. Moore, P. B., Annu Rev Biochem 1999, 68, 287.
5. Richardson, J. S.; Schneider, B.; Murray, L. W.; Kapral, G. J.; Immormino, R. M.; Headd, J. J.; Richardson, D. C.; Ham, D.; Hershkovits, E.; Williams, L. D.; Keating, K. S.; Pyle, A. M.; Micallef, D.; Westbrook, J.; Berman, H. M., RNA 2008, 14, 465.
6. Apostolico, A.; Ciriello, G.; Guerra, C.; Heitsch, C. E.; Hsiao, C.; Williams, L. D., Nucleic Acids Res 2009, 37, E28.
7. Hershkovitz, E.; Sapiro, G.; Tannenbaum, A.; Williams, L. D., IEEE/ACM Trans Comput Biol Bioinform 2006, 3, 33.
8. Bailor, M. H.; Sun, X.; Al-Hashimi, H. M., Science 2010, 327, 202.
9. Sarzynska, J.; Nilsson, L.; Kulinski, T., Biophys J 2003, 85, 3445.
10. Macchion, B. N.; Strömberg, R.; Nilsson, L., J Biomol Struct Dyn 2008, 26, 163.
11. Pande, V.; Nilsson, L., Nucleic Acids Res 2008, 36, 1508.
12. Nyström, B.; Nilsson, L., J Biomol Struct Dyn 2007, 24, 525.
13. Hart, K.; Nyström, B.; Ohman, M.; Nilsson, L., RNA 2005, 11, 609.
14. Pan, Y.; MacKerell, A. D., Jr., Nucleic Acids Res 2003, 31, 7131.
15. Pan, Y.; Priyakumar, U. D.; MacKerell, A. D., Jr., Biochemistry 2005, 44, 1433.
16. Priyakumar, U. D.; MacKerell, A. D., Jr., J Phys Chem B 2008, 112, 1515.
17. Priyakumar, U. D.; MacKerell, A. D., Jr., J Am Chem Soc 2006, 128, 678.
18. McDowell, S. E.; Spacková, N. A.; Sponer, J.; Walter, N. G., Biopolymers 2007, 85, 169.
19. Kierzek, E.; Pasternak, A.; Pasternak, K.; Gdaniec, Z.; Yildirim, I.; Turner, D. H.; Kierzek, R., Biochemistry 2009, 48, 4377.
20. Csaszar, K.; Spacková, N.; Stefl, R.; Sponer, J.; Leontis, N. B., J Mol Biol 2001, 313, 1073.
21. Sharma, M.; Bulusu, G.; Mitra, A., RNA 2009, 15, 1673.
22. Whitford, P.; Schug, A.; Saunders, J.; Hennelly, S. P.; Onuchic, J. N.; Sanbonmatsu, K. Y., Biophys J 2009, 96, L07.
23. Priyakumar, U. D.; MacKerell, A. D., Jr., J Mol Biol 2010, 396, 1422.
24. Villa, A.; Wöhnert, J.; Stock, G., Nucleic Acids Res 2009, 37, 4774.
25. Foloppe, N.; MacKerell, A. D., Jr., J Comput Chem 2000, 21, 86.
26. MacKerell, A. D., Jr.; Banavali, N. K., J Comput Chem 2000, 21, 105.
27. Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R.; Merz, K. M.; Gerguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A., J Am Chem Soc 1995, 117, 5179.
28. Cheatham, T. E.; Cieplak, P.; Kollman, P. A., J Biomol Struct Dyn 1999, 16, 845.
29. Pérez, A.; Marchán, I.; Svozil, D.; Sponer, J.; Cheatham, T. E.; Laughton, C. A.; Orozco, M., Biophys J 2007, 92, 3817.
30. MacKerell, A. D., Jr.; Feig, M.; Brooks, C. L., J Comput Chem 2004, 25, 1400.
31. Orozco, M.; Pérez, A.; Noy, A.; Luque, F. J., Chem Soc Rev 2003, 32, 350.
32. Deng, N. J.; Cieplak, P., Biophys J 2010, 98, 627.
33. Besseová, I.; Otyepka, M.; Réblová, K.; Sponer, J., Phys Chem Chem Phys 2009, 11, 10701.
34. Yildirim, I.; Stern, H. A.; Kennedy, S. D.; Tubbs, J. D.; Turner, D. H., J Chem Theory Comput 2010, 6, 1520.
35. Banas, P.; Hollas, D.; Zgarbova, M.; Jurecka, P.; Orozco, M.; Cheatham, T. E.; Sponer, J.; Otyepka, M., J Chem Theory Comput 2010, 6, 3836.
36. Snoussi, K.; Leroy, J. L., Biochemistry 2001, 40, 8898.
37. MacKerell, A. D., Jr., J Phys Chem B 2009, 113, 3235.
38. Guvench, O.; Greene, S. N.; Kamath, G.; Brady, J. W.; Venable, R. M.; Pastor, R. W.; MacKerell, A. D., Jr., J Comput Chem 2008, 29, 2543.
39. Schindelin, H.; Zhang, M.; Bald, R.; Fürste, J. P.; Erdmann, V. A.; Heinemann, U., J Mol Biol 1995, 249, 595.
40. Serganov, A.; Yuan, Y.-R.; Pikovskaya, O.; Polonskaia, A.; Malinina, L.; Phan, A. T.; Hobartner, C.; Micura, R.; Breaker, R. R.; Patel, D. J., Chem Biol 2004, 11, 1729.
41. Dock-Bregeona, A. C.; Chevrier, B.; Podjarnya, A.; Johnsonb, J.; de Bearb, J. S.; Goughb, G. R.; Gilhamb, P. T.; Morasa, D., J Mol Biol 1989, 209, 459.
42. Jang, S. B.; Baeyens, K.; Jeong, M. S.; SantaLucia, J.; Turner, D.; Holbrook, S. R., Acta Crystallogr Sect D 2004, 60, 829.
43. SantaLucia, J.; Turners, D. H., Biochemistry 1993, 32, 12612.
44. Correll, C. C.; Swinger, K., RNA 2003, 9, 355.
45. Rüdisser, S.; Tinoco, I., J Mol Biol 2000, 295, 1211.
46. Sich, C.; Ohlenschläger, O.; Ramachandran, R.; Görlach, M.; Brown, L. R., Biochemistry 1997, 36, 13989.
47. Nagaswamy, U.; Gao, X.; Martinis, S. A.; Fox, G. E., Nucleic Acids Res 2001, 29, 5129.
48. Scott, W. G.; Finch, J. T.; Klug, A., Cell 1995, 81, 991.
49. Egli, M.; Minasov, G.; Su, L.; Rich, A., Proc Natl Acad Sci USA 2002, 99, 4302.
50. Xiong, Y.; Sundaralingam, M., RNA 2000, 6, 1316.
51. Ennifar, E.; Nikulin, A.; Tishchenko, S.; Serganov, A.; Nevskaya, N.; Garber, M.; Ehresmann, B.; Ehresmann, C.; Nikonov, S.; Dumas, P., J Mol Biol 2000, 304, 35.
52. Auffinger, P.; Westhof, E., J Mol Biol 1997, 274, 54.
53. Egli, M.; Pallan, P. S., Chem Biodivers 2010, 7, 60.
54. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A., Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A., Gaussian 03; Gaussian, Inc: Pittsburgh, PA, 2003.
55. Foloppe, N.; Nilsson, L.; MacKerell, A. D., Jr., Biopolymers 2002, 61, 61.
56. Shao, Y.; Fusti-Molnar, L.; Jung, Y.; Kussmann, J.; Ochsenfeld, C.; Brown, S. T.; Gilbert, A. T. B.; Slipchenko, L. V.; Levchenko, S. V.; O'Neill, D. P.; Distasio, R. A., Jr.; Lochan, R. C.; Wang, T.; Beran, G. J. O.; Besley, N. A.; Herbert, J. M.; Lin, C.Y.; Van Voorhis, T.; Chien, S. H.; Sodt, A.; Steele, R. P.; Rassolov, V. A.; Maslen, P. E.; Korambath, P. P.; Adamson, R. D.; Austin, B.; Baker, J.; Byrd, E. F. C.; Dachsel, H.; Doerksen, R. J.; Dreuw, A.; Dunietz, B. D.; Dutoi, A. D.; Furlani, T. R.; Gwaltney, S. R.; Heyden, A.; Hirata, S.; Hsu, C.-P.; Kedziora, G.; Khalliulin, R. Z.; Klunzinger, P.; Lee, A. M.; Lee, M. S.; Liang, W.; Lotan, I.; Nair, N.; Peters, B.; Proynov, E. I.; Pieniazek, P. A.; Rhee, Y. M.; Ritchie, J.; Rosta, E.; Sherrill, C. D.; Simmonett, A. C.; Subotnik, J. E.; Woodcock, H. L., III; Zhang, W.; Bell, A. T.; Chakraborty, A. K.; Chipman, D. M.; Keil, F. J.; Warshel, A.; Hehre, W. J.; Schaefer, H. F., III; Kong, J.; Krylov, A. I.; Gill, P. M; Head-Gordon, M., Phys Chem Chem Phys 2006, 8, 3172.
57. Faustino, I.; Pérez, A.; Orozco, M., Biophys J 2010, 99, 1876.
58. Brooks, B. R.; Brooks, C. L.; MacKerell, A. D., Jr.; Nilsson, L.; Petrella, R. J.; Roux, B.; Won, Y.; Archontis, G.; Bartels, C.; Boresch, S.; Caflisch, A.; Caves, L.; Cui, Q.; Dinner, A. R.; Feig, M.; Fischer, S.; Gao, J.; Hodoscek, M.; Im, W.; Kuczera, K.; Lazaridis, T.; Ma, J.; Ovchinnikov, V.; Paci, E.; Pastor, R. W.; Post, C. B.; Pu, J. Z.; Schaefer, M.; Tidor, B.; Venable, R. M.; Woodcock, H. L.; Wu, X.; Yang, W.; York, D. M.; Karplus, M., J Comput Chem 2009, 30, 1545.
59. Phillips, J.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, R. D.; Kalé, L.; Schulten, K., J Comput Chem 2005, 26, 1781.
60. Brunger, A. T.; Karplus, M., Proteins 1988, 4, 148.
61. Darden, T.; Perera, L.; Li, L.; Pedersen, L., Structure 1999, 15, R55.
62. Feller, S. E.; Pastor, R. W.; Rojnuckarin, A.; Bogusz, S.; Brooks, B. R., J Phys Chem 1996, 100, 17011.
63. Ryckaert, J. P.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C., J Comput Phys 1977, 23, 327.
64. Feller, S. E.; Zhang, Y.; Pastor, R. W.; Brooks, B. R., J Chem Phys 1995, 103, 4613.
65. Brooks, C. L., III; Pettitt, B.; Karplus, M., J Chem Phys 1985, 83, 5897.
66. Norberg, J.; Nilsson, L., Acc Chem Res 2002, 35, 465.
67. Steinbach, P.; Brooks, B., J Comput Chem 1994, 15, 667.
68. Nilsson, L., J Comput Chem 2009, 30, 1490.
69. Michaud-Agrawal, N.; Denning, E. J.; Woolf, T. B.; Beckstein, O., J Comput Chem, in press.
70. Beckstein, O.; Michaud-Agrawal, N.; Woolf, T. B., Biophys J 2009, 96, 601a.
71. Zheng, L.; Chen, M.; Yang, W., J Chem Phys 2009, 130, 234105.
72. Kumar, S.; Rosenberg, J. M.; Bouzida, D.; Swendsen, R. H.; Kollman, P. A., J Comput Chem 1995, 16, 1339.
73. Ferrenberg, A. M.; Swendsen, R. H., Phys Rev Lett 1989, 65, 4.
74. Ying, J.; Bax, A., J Am Chem Soc 2006, 128, 8372.
75. Fohrer, J.; Hennig, M.; Carlomagno, T., J Mol Biol 2006, 356, 280.
76. Olsen, G. L.; Bardaro, M. F.; Echodu, D. C.; Drobny, G. P.; Varani, G., J Biomol NMR 2009, 45, 133.
77. Auffinger, P.; Westhof, E., J Mol Biol 2000, 300, 111.
78. Lescoute, A.; Leontis, N. B.; Massire, C.; Westhof, E., Nucleic Acids Res 2005, 33, 2395.
79. Lescoute, A.; Westhof, E., RNA 2006, 12, 83.
80. Réblová, K.; Rázga, F.; Li, W.; Gao, H.; Frank, J.; Sponer, J., Nucleic Acids Res 2010, 38, 1325.
81. Banavali, N. K.; MacKerell, A. D., Jr., J Mol Biol 2002, 319, 141.
82. Priyakumar, U. D.; MacKerell, A. D., Jr., Chem Rev 2006, 106, 489.
83. Gyi, J. I.; Lane, A. N.; Conn, G. L.; Brown, T., Nucleic Acids Res 1998, 26, 3104.
84. Conte, M. R.; Conn, G. L.; Brown, T.; Lane, A. N., Nucleic Acids Res 1996, 24, 3693.
85. Egli, M.; Portmann, S.; Usman, N., Biochemistry 1996, 35, 8489.
86. Nikolova, E. N.; Al-Hashimi, H. M., RNA 2010, 16, 1687.
87. Sarkhel, S.; Rich, A.; Egli, M., J Am Chem Soc 2003, 125, 8998.
88. Auffinger, P.; Westhof, E., J Mol Biol 1997, 269, 326.
89. Karplus, M., J Am Chem Soc 1963, 85, 2870.
90. Lankhorst, P. P.; Haasnoot, C. A.; Erkelens, C.; Altona, C., J Biomol Struct Dyn 1984, 1, 1387.
91. Marino, J. P.; Schwalbe, H.; Griesinger, C., Acc Chem Res 1999, 32, 614.
92. Williams, D. J.; Hall, K. B., J Mol Biol 2000, 297, 1045.
93. Varani, G., Annu Rev Biophys Biomol Struct 1995, 24, 379.
94. Proctor, D. J.; Ma, H.; Kierzek, E.; Kierzek, R.; Gruebele, M.; Bevilacqua, P. C., Biochemistry 2004, 43, 14004.
95. Norberg, J.; Nilsson, L., Biophys J 2000, 79, 1537.
96. Levy, R. M.; Karplus, M.; Kushick, J.; Perahia, D., Macromolecules 1984, 17, 1370.