Modeling DNA and DNA-protein interactions
Modélisation de l'ADN et des interactions ADN-protéine
Résumé
The first part of my thesis deals with the modelling of DNA denaturation. I first used a statistical model (Poland-Scheraga) to show that one can predict the final positions of the fragments during 2D electrophoresis assays with a precision greater than experimental uncertainties. Then, I improved a dynamical model developed in our group by showing how its parameters can be varied to get predictions in better agreement with experimental results that were not addressed until now, like mechanical unzipping, the evolution of the critical temperature with sequence length, and temperature resolution. In the second part of my thesis I present a dynamical model for non-specific DNA-protein interactions. This model is based on a previously developed “bead-spring” model for DNA with elastic, bending and electrostatic interactions, while I chose to model protein-DNA interactions through electrostatic and excluded-volume forces. For the protein, I used two simple coarse-grained models: I first described the protein as a single bead and then improved this description by using a set of thirteen interconnected beads. I studied the properties of this model using a Brownian dynamics algorithm that takes hydrodynamic interactions into account, and obtained results that essentially agree with experiments. For example, I showed that the protein samples DNA by a combination of 3D diffusion in the buffer and 1D sliding along the DNA chain. I have also showed that this process, which is known as facilitated diffusion, cannot accelerate DNA sampling by proteins as much as it is sometimes believed to do.
La première partie de ma thèse porte sur la modélisation de la dénaturation de l'ADN. J'ai tout d'abord utilisé le modèle statistique de Poland-Scheraga pour montrer que, lors de l'électrophorèse 2D, on peut prédire les positions finales des fragments avec une précision meilleure que l'incertitude expérimentale. J'ai ensuite amélioré un modèle dynamique développé dans l'équipe en variant ses paramètres pour obtenir un meilleur accord avec des résultats expérimentaux nouveaux, tels la dénaturation mécanique, l'évolution de la température critique avec la longueur de la séquence, et la résolution en température. Dans la seconde partie de ce travail, je propose un modèle qui décrit les interactions non-spécifiques entre l'ADN et les protéines. Ce modèle est basé sur une description "billes et ressorts" déjà existante de l'ADN, qui inclut des interactions d'élongation, de pliage et électrostatiques, alors que je décris les interactions entre l'ADN et la protéine par des énergies électrostatiques et de volume exclu. Pour la protéine, j'ai tout d'abord considéré une simple bille, puis un réseau de treize billes interconnectées. J'ai étudié la dynamique de ce modèle en utilisant un algorithme de dynamique brownienne qui tient compte des interactions hydrodynamiques et montré qu'il donne des résultats en bon accord avec les expériences. J'ai par exemple observé que la protéine visite bien les différents sites de l'ADN par une succession de diffusion 3D et de glissement 1D le long de l'ADN. J'ai également montré que ce processus, appelé facilitated diffusion, ne peut pas accélérer beaucoup la vitesse de recherche de la protéine, contrairement à ce qui est parfois soutenu.