PNAS頭條：一種新型雙鏈DNA結(jié)構(gòu)

日期：2012-08-08 08:18:13

關(guān)于雙鏈DNA，我們熟悉的結(jié)構(gòu)是一種右手螺旋結(jié)構(gòu)，也就是B-DNA，還有一種A-DNA和Z-DNA，另外2006年來自斯坦福大學(xué)的研究人員確定出了xDNA的結(jié)構(gòu)，這是一種膨脹的DNA，具有奇怪的雙螺旋分子。那么DNA結(jié)構(gòu)還有其它形式嗎？

近期來自新加坡國立大學(xué)的研究人員發(fā)表了題為“Two distinct overstretched DNA structures revealed by single-molecule thermodynamics measurements”的文章，報(bào)道了一種新型的雙鏈DNA結(jié)構(gòu)：S-DNA，這項(xiàng)研究不僅證明了S-DNA的存在，而且也提出了S-DNA的一些應(yīng)用，相關(guān)成果公布在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）雜志上。

領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是新加坡國立大學(xué)嚴(yán)潔教授，曾在Nucleic Acids Research上發(fā)表文章，通過拉伸B-DNA得到S-DNA，研究組發(fā)現(xiàn)DNA的過度牽張涉及了兩個(gè)躍遷，這在躍遷動(dòng)力學(xué)上非常顯著，然而是否這種未知的DNA結(jié)構(gòu)由非滯后的躍遷產(chǎn)生目前仍然不清楚。

雙鏈DNA為了執(zhí)行多種功能，出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)，Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋，它是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對(duì)濕度下進(jìn)行X－射線衍射圖譜為依據(jù)進(jìn)行推測(cè)的，這是DNA分子在水性環(huán)境和生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

但是研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)DNA處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)時(shí)，DNA模板鏈與由它轉(zhuǎn)錄所得的RNA鏈間形成的雙鏈就是A-DNA。由此可見A-DNA構(gòu)象對(duì)基因表達(dá)有重要意義。此外，B-DNA雙鏈都被RNA鏈所取代而得到由兩條RNA鏈組成的雙螺旋結(jié)構(gòu)也是A-DNA。

為了解析S-DNA結(jié)構(gòu)，研究人員驗(yàn)證了和兩種躍遷相關(guān)的熱力學(xué)，發(fā)現(xiàn)非滯后的躍遷在滯后剝離躍遷中發(fā)現(xiàn)的大正向熵變相反。這表明DNA重排是一種高度有序狀態(tài)，而兩種躍遷之間的選擇依賴于DNA堿基對(duì)的穩(wěn)定性，可以在多維圖像中觀察到。

這項(xiàng)研究不僅解答了關(guān)于S-DNA這種神秘的結(jié)構(gòu)是否存在的質(zhì)疑，而且也為研究S-DNA的新功能提供了新的思路，這種結(jié)構(gòu)具有拉長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此可能可以用做DNA插入劑的一種結(jié)合底物，比如化療過程中，抑制癌細(xì)胞過度繁殖的DNA復(fù)制。還有DNA結(jié)合蛋白也能利用利用加入側(cè)鏈來破壞DNA的主鏈，這時(shí)S-DNA或許可以作為有機(jī)體中研究的潛在的結(jié)合靶點(diǎn)。

多年來，DNA結(jié)構(gòu)的研究手段主要是X射線衍射技術(shù)，其結(jié)果是通過間接觀測(cè)多個(gè)DNA分子有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值而獲得的。但這項(xiàng)技術(shù)的樣品分析條件使被測(cè)DNA分子與天然狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。因此，在反映DNA結(jié)構(gòu)真實(shí)性方面這種方法存在著缺陷。

這項(xiàng)研究采用的是單分子熱力學(xué)技術(shù)（Single-molecule thermodynamics），這是一種能用于分析DNA過度延伸轉(zhuǎn)換的新技術(shù)。研究表明利用這種技術(shù)，能揭示兩種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，比如從B-to-S DNA的轉(zhuǎn)換。