Molecular Dynamics Simulations and Thermodynamics Analysis of DNA−Drug Complexes. Minor Groove Binding between 4‘,6-Diamidino-2-phenylindole and DNA Duplexes in Solution

Abstract

An extended set of nanosecond-scale molecular dynamics simulations of DNA duplex sequences in explicit solvent interacting with the minor groove binding drug 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) are investigated for four different and sequence specific binding modes. Force fields for DAPI have been parametrized to properly reflect its internal nonplanarity. Sequences investigated include the binding modes observed experimentally, that is, AATT in d(CGCGAATTCGCG)(2) and ATTG in d(GGCCAATTGG)(2) and alternative shifted binding modes ATTC and AATT, respectively. In each case, stable MD simulations are obtained, well reproducing specific hydration patterns seen in the experiments. In contrast to the 2.4 A d(CGCGAATTCGCG)(2) crystal structure, the DAPI is nonplanar, consistent with its gas-phase geometry and the higher resolution crystal structure. The simulations also suggest that the DAPI molecule is able to adopt different conformational substates accompanied by specific hydration patterns that include long-residing waters. The MM_PBSA technology for estimating relative free energies was utilized. The most consistent free energy results were obtained with an approach that uses a single trajectory of the DNA-DAPI complex to estimate all free energy terms. It is demonstrated that explicit inclusion of a subset of bound water molecules shifts the calculated relative binding free energies in favor of both crystallographically observed binding modes, underlining the importance of structured hydration.

Application of the RISM Method to Estimate the Relative Gibbs Free Energies of 4',6-Diamidino-2-phenylindole Binding Within the Minor Groove of a DNA Along Simulation Trajectory

“…1). Эта система изучалась несколько лет назад в работе [17]. DAPI блокирует TATA-бокс, используемый РНК-полимеразой для определения места начала транскрипции, поэтому препарат может быть полезен в качестве антипаразитического, антивирусного средства, а также как антибиотик и антираковый препарат.…”

“…Однако в эксперименте показано, что DAPI специфично взаимодействует с последовательностью ATTG в додекамере d(GGCCAATTGG)2 [19]. В работе [17] высказано предположение, что это связывание в области остатка гуанина стабилизируется специфической гидратацией и водородной связью с sp3-гибридизированной аминогруппой остатка гуанина.…”

“…В работе [17] выполнен термодинамический анализ молекулярно-динамических траекторий длиной до 7.5 нс с оценкой свободной энергии методом MM/PBSA [25]. Авторами работы [17] показано, что сайт связывания AATT более предпочтителен по энергии на 0.8 ккал/моль, что противоречит экспериментальным данным. Авторами был выполнен дополнительный анализ траекторий, в котором они жестко привязали к комплексу 20 молекул воды в области сайтов гидратации.…”

“…При анализе молекулярно-динамических траекторий в работе [17] переключаются между ними. Ни один из этих трех конформеров не похож на кристаллическую структуру [19], хотя средняя структура совпадает достаточно хорошо.…”

“…Авторы предположили, что такие переходящие друг в друга состояния могут фактически характеризовать связывание DAPI в малом желобе in vivo. Также в работе [17] было продемонстрировано, что сайт связывания ATTG характеризуется как минимум четырьмя специфическими сайтами гидратации. Обнаруженные сайты гидратации соответствуют сайтам, наблюдаемым в кристаллической структуре [19].…”