單個DNA分子動力研究獲進展

日期：2012-12-25 10:50:33

無論是在病毒還是在細(xì)胞中，DNA皆以緊密壓縮的結(jié)構(gòu)存在。比如，在真核細(xì)胞中，DNA纏繞在組蛋白周圍形成核小體，并進一步凝聚成大家熟知的染色體結(jié)構(gòu)。在哺乳動物精子中，DNA凝聚成更致密的面包圈狀（toroid）結(jié)構(gòu)。了解DNA這些緊密排列的結(jié)構(gòu)，并分析它們形成的動力學(xué)過程，對認(rèn)識DNA復(fù)制甚至繁殖等生命過程皆有重要的意義。盡管對DNA凝聚的研究有近半個世紀(jì)的歷史，人們對其動力學(xué)仍然知之甚少。

利用單分子操縱技術(shù)，研究人員可以在體外模擬單個DNA分子的凝聚。例如，中科院物理研究所李明研究員等在2006年用單分子磁鑷研究了多價陽離子作用下DNA的凝聚動力學(xué)，利用施加于DNA上的張力使其凝聚速率降低，在有限的時間分辨率下發(fā)現(xiàn)了DNA的非連續(xù)凝聚行為，并揭示了張力對DNA凝聚動力學(xué)的影響[（J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15040）]。

DNA是半柔性的高分子鏈，可以用彎曲彈性和扭轉(zhuǎn)彈性描述其力學(xué)性質(zhì)。哺乳動物精子中的DNA凝聚成面包圈狀（toroid）的特殊結(jié)構(gòu)以及實驗中所觀察到的非連續(xù)凝聚行為的物理根源是DNA的彎曲彈性。但DNA的扭轉(zhuǎn)彈性對DNA的凝聚有多大影響，還沒有明確說法。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）李偉副研究員與李明研究員、王鵬業(yè)研究員以及新加坡國立大學(xué)嚴(yán)潔教授合作，用單分子技術(shù)研究了DNA的扭轉(zhuǎn)對其凝聚動力學(xué)的影響。他們用直徑約1微米的超順磁球?qū)⒁桓s3微米長的DNA懸掛在磁場中，用磁鑷操縱單個DNA分子。當(dāng)DNA的兩條鏈的端點都被固定時（一端固定在顯微鏡蓋玻片上，另一端固定在超順磁球上），DNA的扭轉(zhuǎn)受到限制。實驗發(fā)現(xiàn)，DNA在凝聚過程中其扭轉(zhuǎn)彈性勢能會不斷累積。當(dāng)扭轉(zhuǎn)彈性能積累到一定程度時，DNA在某一點達到凝聚與去凝聚之間的動態(tài)平衡。理論上，DNA的凝聚動力學(xué)由高價離子介導(dǎo)的DNA片段間的相互吸引和DNA兩端所受的張力共同決定，而扭轉(zhuǎn)彈性勢能可調(diào)控DNA的凝聚，使系統(tǒng)自動到達凝聚平衡。

該工作首次明確了DNA的扭轉(zhuǎn)彈性對DNA凝聚的影響，加深了人們對體內(nèi)DNA凝聚的認(rèn)識。例如，在DNA凝聚體與哺乳動物精子的核基質(zhì)的結(jié)合部位有較大量的拓?fù)洚悩?gòu)酶（一種釋放DNA超螺旋的酶）。這些酶在該結(jié)合部位起什么作用還不十分清楚。本工作似乎暗示它們可能與DNA的凝聚有關(guān)聯(lián)，用于釋放DNA的扭轉(zhuǎn)以便DNA充分凝聚。