通过原子力显微镜和形状空间分析技术绘制DNA小环的构象景观图

摘要

DNA的结构动态是许多基本生物过程的基础，然而传统的结构生物学方法常常通过集合平均来掩盖构象的多样性。原子力显微镜（AFM）能够提供单分子拓扑图，从而捕捉到局部和全局的变化，但从这些图像中提取定量信息仍然具有挑战性。在这里，我们引入了一个自动化框架，该框架将AFM数据转换为DNA主链的样条表示，并应用循环Procrustes分析来量化不同样本之间的形状相似性。我们使用了339个碱基对的DNA小环的纯化拓扑异构体，这些小环的构象从松弛状态到高度负超螺旋状态不等，我们解析并测量了不同拓扑异构体中各构象状态的相对丰度，捕捉到了从开放环、紧凑构象到自交叉结构之间的逐步转变，而这些转变是通过凝胶电泳或冷冻电子显微镜（cryo-EM）等技术无法观察到的。我们发现，除了量化之外，Procrustes距离还为神经网络训练提供了监督信号，使得特征提取能够根据构象几何进行调整，并支持对AFM图像进行稳健的构象分类。将这种样条表示方法扩展到分子动力学模拟中，可以直观地比较实验和计算结果，从而建立了一个基于形状的共同框架来探究构象变异性。这些进展共同将AFM从一种描述性成像工具转变为一个用于绘制构象连续体的定量平台，适用于DNA和其他动态生物分子系统。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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