Search for a command to run...
DNA triplexes contribute to genomic instability and gene regulation. To understand how the molecular crowding environment (MCE) inside cells influences the dynamics of DNA triplex structures, we investigated base-pair opening and closing (BPOC) dynamics using crowding agents that mimic intracellular MCE. We report, for the first time, quantitative rate constants for opening ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {k}_{\mathrm{open}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ) and closing ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi> <mml:mtext>close</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {k}_{\mathrm{close}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ) of individual base pairs under MCE. While MCE preserved the overall triplex structure, it significantly altered the lifetimes of the closed ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>closed</mml:mtext></mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub><mml:mi>k</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\tau}_{\mathrm{closed}}=1/{k}_{\mathrm{open}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ) and open ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub><mml:mi>k</mml:mi> <mml:mtext>close</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\tau}_{\mathrm{open}}=1/{k}_{\mathrm{close}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ) states, and the standard Gibbs energy difference ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow> <mml:mtext>open</mml:mtext> <mml:mo>○</mml:mo></mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mi>RT</mml:mi> <mml:mi>ln</mml:mi> <mml:msub><mml:mi>K</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\Delta G}_{\mathrm{open}}^{\bigcirc }=- RT\ln {K}_{\mathrm{open}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> <mml:msub><mml:mi>k</mml:mi> <mml:mtext>close</mml:mtext></mml:msub> </mml:mfrac> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> <mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>closed</mml:mtext></mml:msub> </mml:mfrac> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {K}_{\mathrm{open}}=\frac{k_{\mathrm{open}}}{k_{\mathrm{close}}}=\frac{\tau_{\mathrm{open}}}{\tau_{\mathrm{close}\mathrm{d}}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ). Notably, we observed distinct changes in BPOC dynamics of the third strand. Ficoll PM 70, which enhances excluded-volume effects, lengthened both <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>closed</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\tau}_{\mathrm{closed}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\tau}_{\mathrm{open}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> across most base pairs, with a larger increase in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>closed</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\tau}_{\mathrm{closed}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> , resulting in an increased <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow> <mml:mtext>open</mml:mtext> <mml:mo>○</mml:mo></mml:msubsup> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\Delta G}_{\mathrm{open}}^{\bigcirc } $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> . In contrast, PEG 200, which reduces water activity, increased <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\tau}_{\mathrm{open}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> for most base pairs except for those near the helix center, while PEG 200 either decreased or increased <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>closed</mml:mtext></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\tau}_{\mathrm{closed}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> only slightly. As a result, the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>open</mml:mtext></mml:msub> <mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mtext>closed</mml:mtext></mml:msub> </mml:mfrac> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ \frac{\tau_{\mathrm{open}}}{\tau_{\mathrm{closed}}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ratio increased, resulting in a decreased <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow> <mml:mtext>open</mml:mtext> <mml:mo>○</mml:mo></mml:msubsup> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {\Delta G}_{\mathrm{open}}^{\bigcirc } $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> . These findings deepen mechanistic understanding of molecular-crowding effects on DNA-triplex stability and dynamics, providing new cellular regulatory perspectives.