Insight into G-DNA structural polymorphism and folding from sequence and loop connectivity through free energy analysis

Journal of the American Chemical Society

Volumn 133, Issue 36, 2011, Pages 14270-14279

  Cang, Xiaohui ^a   Šponer, Jiří ^b   Cheatham III, Thomas E ^a  

^a UNIVERSITY OF UTAH   (United States)

^b INSTITUTE OF BIOPHYSICS   (Czech Republic)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CONNECTING LOOPS; CURRENT FORCES; EXPERIMENTAL OBSERVATION; EXPLICIT SOLVENTS; FREE ENERGY ANALYSIS; FREE-ENERGY DIFFERENCE; G-QUADRUPLEX STRUCTURE; G-QUADRUPLEXES; HUMAN TELOMERE; MD SIMULATION; MULTIMERS; SIMULATION PROTOCOLS; STRUCTURAL POLYMORPHISMS; TYPE STRUCTURES;

ENERGY MANAGEMENT; FREE ENERGY; MOLECULAR DYNAMICS; PROPELLERS; STABILITY;

DNA SEQUENCES;

GUANINE QUADRUPLEX; POTASSIUM ION; SOLVENT; TELOMERASE;

ARTICLE; CALCULATION; DNA POLYMORPHISM; DNA SEQUENCE; DNA STRUCTURE; ENERGY; EXPERIMENT; HYBRID; MOLECULAR DYNAMICS; PROTEIN FOLDING; PROTEIN STABILITY; SIMULATION;

CIRCULAR DICHROISM; DNA; ENTROPY; G-QUADRUPLEXES; HUMANS; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION; TELOMERE;

EID: 80052569980     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja107805r     Document Type: Article

References (110)

1. Sen, D.; Gilbert, W. Nature 1988, 334, 364-366
2. Laughlan, G.; Murchie, A. I.; Norman, D. G.; Moore, M. H.; Moody, P. C.; Lilley, D. M.; Luisi, B. Science 1994, 265, 520-524
3. Lane, A. N.; Chaires, J. B.; Gray, R. D.; Trent, J. O. Nucleic Acids Res. 2008, 36, 5482-5515
4. Moyzis, R. K.; Buckingham, J. M.; Cram, L. S.; Dani, M.; Deaven, L. L.; Jones, M. D.; Meyne, J.; Ratliff, R. L.; Wu, J. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1988, 85, 6622-6626
5. Williamson, J. R. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1994, 23, 703-730
6. Huppert, J. L.; Balasubramanian, S. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 406-413
7. Phan, A. T. FEBS J. 2010, 277, 1107-1117
8. Kim, N. W.; Piatyszek, M. A.; Prowse, K. R.; Harley, C. B.; West, M. D.; Ho, P. L.; Coviello, G. M.; Wright, W. E.; Weinrich, S. L.; Shay, J. W. Science 1994, 266, 2011-2015
9. Han, H.; Hurley, L. H. Trends Pharmacol. Sci. 2000, 21, 136-142
10. Raymond, E.; Soria, J. C.; Izbicka, E.; Boussin, F.; Hurley, L.; Von Hoff, D. D. Invest. New Drugs 2000, 18, 123-137
11. Hurley, L. H. Biochem. Soc. Trans. 2001, 29, 692-696
12. Doherty, K. M.; Sharma, S.; Gupta, R.; Brosh, R. M., Jr. Recent Pat. Anti-Cancer Drug Discovery 2006, 1, 185-200
13. Huppert, J. L. Philos. Trans. 2007, 365, 2969-2984
14. Patel, D. J.; Phan, A. T.; Kuryavyi, V. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 7429-7455
15. Huppert, J. L. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1375-1384
16. Ou, T. M.; Lu, Y. J.; Tan, J. H.; Huang, Z. S.; Wong, K. Y.; Gu, L. Q. ChemMedChem 2008, 3, 690-713
17. Tan, J. H.; Gu, L. Q.; Wu, J. Y. Mini Rev. Med. Chem. 2008, 8, 1163-1178
18. Neidle, S. FEBS J. 2010, 277, 1118-1125
19. Siddiqui-Jain, A.; Grand, C. L.; Bearss, D. J.; Hurley, L. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 11593-11598
20. Kumari, S.; Bugaut, A.; Huppert, J. L.; Balasubramanian, S. Nat. Chem. Biol. 2007, 3, 218-221
21. Lipps, H. J.; Rhodes, D. Trends Cell Biol. 2009, 19, 414-422
22. Hagihara, M.; Yamauchi, L.; Seo, A.; Yoneda, K.; Senda, M.; Nakatani, K. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11171-11178
23. Wanrooij, P. H.; Uhler, J. P.; Simonsson, T.; Falkenberg, M.; Gustafsson, C. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107, 16072-16077
24. Gellert, M.; Lipsett, M. N.; Davies, D. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1962, 48, 2013-2018
25. Burge, S.; Parkinson, G. N.; Hazel, P.; Todd, A. K.; Neidle, S. Nucleic Acids Res. 2006, 34, 5402-5415
26. Keniry, M. A. Biopolymers 2000, 56, 123-146
27. Simonsson, T. Biol Chem 2001, 382, 621-628
28. Gaynutdinov, T. I.; Neumann, R. D.; Panyutin, I. G. Nucleic Acids Res. 2008, 36, 4079-4087
29. Chaires, J. B. FEBS J. 2010, 277, 1098-1106
30. Cang, X.; Sponer, J.; Cheatham, T. E., III Nucleic Acids Res. 2011, 39, 4499-4512
31. Smirnov, I.; Shafer, R. H. Biochemistry 2000, 39, 1462-1468
32. Hazel, P.; Huppert, J.; Balasubramanian, S.; Neidle, S. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 16405-16415
33. Risitano, A.; Fox, K. R. Nucleic Acids Res. 2004, 32, 2598-2606
34. Cevec, M.; Plavec, J. Biochemistry 2005, 44, 15238-15246
35. Rachwal, P. A.; Findlow, I. S.; Werner, J. M.; Brown, T.; Fox, K. R. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 4214-4222
36. Bugaut, A.; Balasubramanian, S. Biochemistry 2008, 47, 689-697
37. Kumar, N.; Maiti, S. Nucleic Acids Res. 2008, 36, 5610-5622
38. Smargiasso, N.; Rosu, F.; Hsia, W.; Colson, P.; Baker, E. S.; Bowers, M. T.; De Pauw, E.; Gabelica, V. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10208-10216
39. Arora, A.; Maiti, S. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 8784-8792
40. Balkwill, G. D.; Garner, T. P.; Searle, M. S. Mol. Biosyst. 2009, 5, 542-547
41. Balkwill, G. D.; Garner, T. P.; Williams, H. E.; Searle, M. S. J. Mol. Biol. 2009, 385, 1600-1615
42. Hu, L.; Lim, K. W.; Bouaziz, S.; Phan, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16824-16831
43. Guedin, A.; Gros, J.; Alberti, P.; Mergny, J. L. Nucleic Acids Res. 2010, 38, 7858-7868
44. Lim, K. W., Lacroix, L., Yue, D. J., Lim, J. K., Lim, J. M., and Phan, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12331-12342
45. Kuryavyi, V.; Phan, A. T.; Patel, D. J. Nucleic Acids Res. 2010, 38, 6757-6773
46. Stefl, R.; Cheatham, T. E., III; Spackova, N.; Fadrna, E.; Berger, I.; Koca, J.; Sponer, J. Biophys. J. 2003, 85, 1787-1804
47. Fadrna, E.; Spackova, N.; Stefl, R.; Koca, J.; Cheatham, T. E., III; Sponer, J. Biophys. J. 2004, 87, 227-242
48. Hazel, P.; Parkinson, G. N.; Neidle, S. Nucleic Acids Res. 2006, 34, 2117-2127
49. Hazel, P.; Parkinson, G. N.; Neidle, S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 5480-5487
50. Sponer, J.; Spackova, N. Methods 2007, 43, 278-290
51. Reshetnikov, R. V.; Golovin, A. V.; Kopylov, A. M. Biochemistry (Moscow) 2010, 75, 1017-1024
52. Rosu, F.; Gabelica, V.; Poncelet, H.; De Pauw, E. Nucleic Acids Res. 2010, 38, 5217-5225
53. Gros, J.; Rosu, F.; Amrane, S.; De Cian, A.; Gabelica, V.; Lacroix, L.; Mergny, J. L. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 3064-3075
54. Bardin, C.; Leroy, J. L. Nucleic Acids Res. 2008, 36, 477-488
55. Webba da Silva, M. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany) 2007, 13, 9738-9745
56. Luu, K. N.; Phan, A. T.; Kuryavyi, V.; Lacroix, L.; Patel, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9963-9970
57. Kuryavyi, V.; Majumdar, A.; Shallop, A.; Chernichenko, N.; Skripkin, E.; Jones, R.; Patel, D. J. J. Mol. Biol. 2001, 310, 181-194
58. Haider, S.; Parkinson, G. N.; Neidle, S. J. Mol. Biol. 2002, 320, 189-200
59. Wang, Y.; Patel, D. J. J. Mol. Biol. 1993, 234, 1171-1183
60. Joung, I. S.; Cheatham, T. E., III J. Phys. Chem. B 2008, 112, 9020-9041
61. Pettersen, E. F.; Goddard, T. D.; Huang, C. C.; Couch, G. S.; Greenblatt, D. M.; Meng, E. C.; Ferrin, T. E. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1605-1612
62. Wang, Y.; Patel, D. J. Structure 1993, 1, 263-282
63. Ambrus, A.; Chen, D.; Dai, J.; Jones, R. A.; Yang, D. Biochemistry 2005, 44, 2048-2058
64. Padmanabhan, K.; Padmanabhan, K. P.; Ferrara, J. D.; Sadler, J. E.; Tulinsky, A. J. Biol. Chem. 1993, 268, 17651-17654
65. Kettani, A.; Kumar, R. A.; Patel, D. J. J. Mol. Biol. 1995, 254, 638-656
66. Kang, C.; Zhang, X.; Ratliff, R.; Moyzis, R.; Rich, A. Nature 1992, 356, 126-131
67. Crnugelj, M.; Sket, P.; Plavec, J. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 7866-7871
68. Case, D. A.; Cheatham, T. E., III; Darden, T. A.; Gohlker, H.; Luo, R.; Merz, K. M., Jr.; Onufriev, A. V.; Simmerling, C.; Wang, B.; Woods, R. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1668-1688
69. Wang, J.; Cieplak, P.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1049-1074
70. Perez, A.; Marchan, I.; Svozil, D.; Sponer, J.; Cheatham, T. E., III; Laughton, C. A.; Orozco, M. Biophys. J. 2007, 11, 3817-3829
71. Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926-935
72. Essmann, U.; Perera, L.; Berkowitz, M. L.; Darden, T.; Lee, H.; Pedersen, L. G. J. Chem. Phys. 1995, 103, 8577-8593
73. Ryckaert, J. P.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977, 23, 327-341
74. Pastor, R. W.; Brooks, B. R.; Szabo, A. Mol. Phys. 1988, 65, 1409-1419
75. Jayaram, B.; Sprous, D.; Beveridge, D. L. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 9571-9576
76. Schlitter, J. Chem. Phys. Lett. 1993, 215, 617-621
77. Kuryavyi, V.; Patel, D. J. Structure 2010, 18, 73-82
78. Kumar, N.; Sahoo, B.; Varun, K. A.; Maiti, S.; Maiti, S. Nucleic Acids Res. 2008, 36, 4433-4442
79. Lin, Z.; Chen, Y.; Li, X.; Fang, W. Analyst 2011, 136, 2367-2372
80. Parkinson, G. N.; Lee, M. P.; Neidle, S. Nature 2002, 417, 876-880
81. Kato, Y.; Ohyama, T.; Mita, H.; Yamamoto, Y. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9980-9981
82. Page, M. I.; Jencks, W. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1971, 68, 1678-1683
83. Gilson, M. K.; Given, J. A.; Bush, B. L.; McCammon, J. A. Biophys. J. 1997, 72, 1047-1069
84. Hermans, J.; Wang, L. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2707-2714
85. Luo, R.; Gilson, M. K. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2934-2937
86. Yu, Y. B.; Privalov, P. L.; Hodges, R. S. Biophys. J. 2001, 81, 1632-1642
87. Lazaridis, T.; Masunov, A.; Gandolfo, F. Proteins 2002, 47, 194-208
88. Heddi, B.; Phan, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9824-9833
89. Renciuk, D.; Kejnovska, I.; Skolakova, P.; Bednarova, K.; Motlova, J.; Vorlickova, M. Nucleic Acids Res. 2009, 37, 6625-6634
90. Petraccone, L.; Garbett, N. C.; Chaires, J. B.; Trent, J. O. Biopolymers 2010, 93, 533-548
91. Fadrna, E.; Spackova, N. a.; Sarzynska, J.; Koca, J.; Orozco, M.; C., T. E., III; Kulinski, T.; Sponer, J. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 2514-2530
92. Srinivasan, J.; Cheatham, T. E., III; Cieplak, P.; Kollman, P. A.; Case, D. A. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 9401-9409
93. Hsu, S. T.; Varnai, P.; Bugaut, A.; Reszka, A. P.; Neidle, S.; Balasubramanian, S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 13399-13409
94. Phan, A. T.; Modi, Y. S.; Patel, D. J. J. Mol. Biol. 2004, 338, 93-102
95. Wang, Y.; Patel, D. J. Structure 1994, 2, 1141-1156
96. Schultze, P.; Macaya, R. F.; Feigon, J. J. Mol. Biol. 1994, 235, 1532-1547
97. Esposito, V.; Randazzo, A.; Piccialli, G.; Petraccone, L.; Giancola, C.; Mayol, L. Org. Biomol. Chem. 2004, 2, 313-318
98. Bouaziz, S.; Kettani, A.; Patel, D. J. J. Mol. Biol. 1998, 282, 637-652
99. Kettani, A.; Bouaziz, S.; Gorin, A.; Zhao, H.; Jones, R. A.; Patel, D. J. J. Mol. Biol. 1998, 282, 619-636
100. Schultze, P.; Smith, F. W.; Feigon, J. Structure 1994, 2, 221-233
101. Keniry, M. A.; Strahan, G. D.; Owen, E. A.; Shafer, R. H. Eur. J. Biochem. 1995, 233, 631-643
102. Schultze, P.; Hud, N. V.; Smith, F. W.; Feigon, J. Nucleic Acids Res. 1999, 27, 3018-3028
103. Gill, M. L.; Strobel, S. A.; Loria, J. P. Nucleic Acids Res. 2006, 34, 4506-4514
104. Podbevsek, P.; Sket, P.; Plavec, J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14287-14293
105. Podbevsek, P.; Hud, N. V.; Plavec, J. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 2554-2563
106. Dai, J.; Punchihewa, C.; Ambrus, A.; Chen, D.; Jones, R. A.; Yang, D. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 2440-2450
107. Dai, J.; Carver, M.; Punchihewa, C.; Jones, R. A.; Yang, D. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 4927-4940
108. Phan, A. T.; Kuryavyi, V.; Luu, K. N.; Patel, D. J. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 6517-6525
109. Dai, J.; Carver, M.; Yang, D. Biochimie 2008, 90, 1172-1183
110. Zhang, N.; Phan, A. T.; Patel, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17277-17285