Development of site-specific Mg2+-RNA force field parameters: A dream or reality? Guidelines from combined molecular dynamics and quantum mechanics simulations

Journal of Chemical Theory and Computation

Volumn 13, Issue 1, 2017, Pages 340-352

  Casalino, Lorenzo ^a   Palermo, Giulia ^b,e   Abdurakhmonova, Nodira ^a,c   Rothlisberger, Ursula ^b   Magistrato, Alessandra ^d  

^a SISSA   (Italy)

^b EPFL   (Switzerland)

^c UNIVERSITY OF TRIESTE   (Italy)

^d DEMOCRITOS NATIONAL SIMULATION CENTER   (Italy)

^e UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ION; LIGAND; MAGNESIUM; RIBOZYME; RNA; WATER;

CHEMISTRY; MOLECULAR DYNAMICS; QUANTUM THEORY;

IONS; LIGANDS; MAGNESIUM; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION; QUANTUM THEORY; RNA; RNA, CATALYTIC; WATER;

EID: 85016334214     PISSN: 15499618     EISSN: 15499626     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00905     Document Type: Article

References (62)

1. Bowman, J. C.; Lenz, T. K.; Hud, N. V.; Williams, L. D. Curr. Opin. Struct. Biol. 2012, 22, 262-272.
2. Ryan, M. F. Ann. Clin. Biochem. 1991, 28 (1), 19-26.
3. Palermo, G.; Cavalli, A.; Klein, M. L.; Alfonso-Prieto, M.; Dal Peraro, M.; De Vivo, M. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 220-228.
4. Sgrignani, J.; Magistrato, A. ACS Catal. 2015, 5, 3864-3875.
5. Ditzler, M. A.; Otyepka, M.; Sponer, J.; Walter, N. G. Acc. Chem. Res. 2010, 43, 40-47.
6. Marcia, M.; Pyle, A. M. RNA 2014, 20, 516-527.
7. Casalino, L.; Palermo, G.; Rothlisberger, U.; Magistrato, A. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10374-10377.
8. Sgrignani, J.; Magistrato, A. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 2259-2268.
9. Hermann, T.; Auffinger, P.; Scott, W. G.; Westhof, E. Nucleic Acids Res. 1997, 25, 3421-3427.
10. Casalino, L.; Magistrato, A. Inorg. Chim. Acta 2016, 452, 73-81.
11. Zheng, H. P.; Shabalin, I. G.; Handing, K. B.; Bujnicki, J. M.; Minor, W. Nucleic Acids Res. 2015, 43, 3789-3801.
12. Petrov, A. S.; Bowman, J. C.; Harvey, S. C.; Williams, L. D. RNA 2011, 17, 291-297.
13. Marcia, M.; Pyle, A. M. Cell 2012, 151, 497-507.
14. Kowerko, D.; Konig, S. L.; Skilandat, M.; Kruschel, D.; Hadzic, M. C.; Cardo, L.; Sigel, R. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2015, 112, 3403-3408.
15. Perez, A.; Luque, F. J.; Orozco, M. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 196-205.
16. Vidossich, P.; Magistrato, A. Biomolecules 2014, 4, 616-645.
17. Gresh, N.; Sponer, J. E.; Spackova, N.; Leszczynski, J.; Sponer, J. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8669-8681.
18. Sponer, J. E.; Sobalik, Z.; Leszczynski, J.; Wichterlova, B. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 8285-8290.
19. Yu, H. B.; Whitfield, T. W.; Harder, E.; Lamoureux, G.; Vorobyov, I.; Anisimov, V. M.; MacKerell, A. D.; Roux, B. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 774-786.
20. Kumar, M.; Simonson, T.; Ohanessian, G.; Clavaguera, C. ChemPhysChem 2015, 16, 658-665.
21. Panteva, M. T.; Giambasu, G. M.; York, D. M. J. Comput. Chem. 2015, 36, 970-982.
22. Saxena, A.; Sept, D. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 3538-3542.
23. Oelschlaeger, P.; Klahn, M.; Beard, W. A.; Wilson, S. H.; Warshel, A. J. Mol. Biol. 2007, 366, 687-701.
24. Duarte, F.; Bauer, P.; Barrozo, A.; Amrein, B. A.; Purg, M.; Aqvist, J.; Kamerlin, S. C. L. J. Phys. Chem. B 2014, 118, 4351-4362.
25. Li, P. F.; Merz, K. M. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 289-297.
26. Panteva, M. T.; Giambasu, G. M.; York, D. M. J. Phys. Chem. B 2015, 119, 15460-15470.
27. Carloni, P.; Rothlisberger, U.; Parrinello, M. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 455-464.
28. Mlynsky, V.; Walter, N. G.; Sponer, J.; Otyepka, M.; Banas, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 670-679.
29. Palermo, G.; Stenta, M.; Cavalli, A.; Dal Peraro, M.; De Vivo, M. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 857-862.
30. Lee, T. S.; Silva-Lopez, C.; Martick, M.; Scott, W. G.; York, D. M. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 325-327.
31. Boero, M.; Tateno, M.; Terakura, K.; Oshiyama, A. J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 925-934.
32. Perez, A.; Marchan, I.; Svozil, D.; Sponer, J.; Cheatham, T. E., III; Laughton, C. A.; Orozco, M. Biophys. J. 2007, 92, 3817-3829.
33. Zgarbova, M.; Otyepka, M.; Sponer, J.; Mladek, A.; Banas, P.; Cheatham, T. E., III; Jurecka, P. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2886-2902.
34. Kapral, G. J.; Jain, S.; Noeske, J.; Doudna, J. A.; Richardson, D. C.; Richardson, J. S. Nucleic Acids Res. 2014, 42, 12833-12846.
35. Maurer, P.; Laio, A.; Hugosson, H. W.; Colombo, M. C.; Rothlisberger, U. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 628-639.
36. Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R. W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926-935.
37. Aqvist, J. J. Phys. Chem. 1990, 94, 8021-8024.
38. Allner, O.; Nilsson, L.; Villa, A. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 1493-1502.
39. Li, P. F.; Roberts, B. P.; Chakravorty, D. K.; Merz, K. M. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 2733-2748.
40. Joung, I. S.; Cheatham, T. E., III J. Phys. Chem. B 2008, 112, 9020-9041.
41. Ryckaert, J.-P.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977, 23, 327-341.
42. Turq, P.; Lantelme, F.; Friedman, H. L. J. Chem. Phys. 1977, 66, 3039-3044.
43. Berendsen, H. J. C.; Postma, J. P. M.; van Gunsteren, W. F.; DiNola, A.; Haak, J. R. J. Chem. Phys. 1984, 81, 3684-3690.
44. Case, D. A.; Darden, T. A.; Iii, T. E. C.; Simmerling, C. L.; Wang, J.; Duke, R. E.; Luo, R.; Walker, R. C.; Zhang, W.; Merz, K. M.; Roberts, B.; Hayik, S.; Roitberg, A.; Seabra, G.; Swails, J.; Götz, A. W.; Kolossvary, I. W.; Wong, K. F.; Paesani, F.; Vanicek, J.; Wolf, R. M.; Liu, J.; Wu, X.; Brozell, S. R.; Steinbrecher, T.; Gohlke, H.; Cai, Q.; Ye, X.; Hsieh, M.-J.; Cui, G.; Roe, D. R.; Mathews, D. H.; Seetin, M. G.; Salomon-Ferrer, R.; Sagui, C. A.; Babin, V.; Luchko, T.; Gusarov, S.; Kovalenko, A.; Kollman, P. A.; Cheatham, T. E.; Goetz, A. W.; Kolossvai, I. AMBER12; University of California: San Francisco, 2012.
45. Bergonzo, C.; Henriksen, N. M.; Roe, D. R.; Cheatham, T. E., III RNA 2015, 21, 1578-1590.
46. Zgarbova, M.; Sponer, J.; Otyepka, M.; Cheatham, T. E., III; Galindo-Murillo, R.; Jurecka, P. J. Chem. Theory Comput. 2015, 11, 5723-5736.
47. Chen, A. A.; Garcia, A. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 16820-16825.
48. Bonomi, M.; Branduardi, D.; Bussi, G.; Camilloni, C.; Provasi, D.; Raiteri, P.; Donadio, D.; Marinelli, F.; Pietrucci, F.; Broglia, R. A.; Parrinello, M. Comput. Phys. Commun. 2009, 180, 1961-1972.
49. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery, J. A., Jr.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M. J.; Heyd, J.; Brothers, E. N.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A. P.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, N. J.; Klene, M.; Knox, J. E.; 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.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas, O.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2009.
50. Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2006, 125, 194101.
51. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1988, 37, 785-789.
52. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652.
53. Improta, R.; Barone, V.; Scalmani, G.; Frisch, M. J. J. Chem. Phys. 2006, 125, 054103.
54. Misra, V. K.; Hecht, J. L.; Yang, A. S.; Honig, B. Biophys. J. 1998, 75, 2262-2273.
55. Li, X.; Frisch, M. J. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 835-839.
56. Reed, A. E.; Curtiss, L. A.; Weinhold, F. Chem. Rev. 1988, 88, 899-926.
57. Glendening, E. D.; Badenhoop, J. K., Reed, A. E.; Carpenter, J. E.; Bohmann, J. A.; Morales, C. M.; Landis, C. R.; Weinhold, F. NBO 6.0; Theoretical Chemistry Institute, University of Wisconsin, Madison, WI, 2013.
58. Tang, W.; Sanville, E.; Henkelman, G. J. Phys.: Condens. Matter 2009, 21, 084204.
59. Bergonzo, C.; Hall, K. B.; Cheatham, T. E., III J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 3382-3389.
60. Nowotny, M.; Gaidamakov, S. A.; Crouch, R. J.; Yang, W. Cell 2005, 121, 1005-1016.
61. Zhu, Y.; Chen, S. J. J. Chem. Phys. 2014, 141, 055101.
62. Ho, M. H.; De Vivo, M.; Dal Peraro, M.; Klein, M. L. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13702-13712.