新研究揭示DNA別構(gòu)效應

日期：2013-02-18 09:09:08

2013年2月15日美國《科學》雜志發(fā)表了題為“Probing Allostery through DNA”的研究報告，通過單分子生物物理等手段嚴謹?shù)刈C實了DNA中確實存在別構(gòu)效應。該研究揭示了DNA一個新的基本性質(zhì)，不但在物理上非常有趣，而且有重要的生理意義。

該項工作是由美國科學院院士、哈佛大學化學與化學生物學系教授及北京大學長江講座教授謝曉亮的哈佛大學研究組和北京大學生物動態(tài)光學成像中心(BIOPIC)孫育杰/謝曉亮研究組、蘇曉東研究組合作完成。

別構(gòu)效應廣泛存在于蛋白質(zhì)特別是酶中。別構(gòu)效應是描述遠離活性中心的結(jié)合到變構(gòu)位點的效應因子能夠通過蛋白質(zhì)的長程構(gòu)象變化來影響蛋白質(zhì)功能（酶活性）的現(xiàn)象。而作為遺傳信息的載體，DNA上有很多特異的蛋白結(jié)合位點，這些位點在結(jié)合了蛋白分子前后會具有較大的構(gòu)象變化，那么，DNA是否也像蛋白質(zhì)那樣具有別構(gòu)效應，即結(jié)合在同一條DNA雙螺旋鏈上的兩個蛋白分子是否在沒有直接接觸的情況下可以通過DNA雙螺旋的構(gòu)象變化而影響各自的DNA結(jié)合能力？比較合理的預期是DNA應該具有別構(gòu)效應，然而通過常規(guī)方法人們一直沒有觀測到過這種效應。

謝曉亮等通過研究，揭示了上述預期的別構(gòu)效應確實存在于雙鏈DNA中。研究人員在一段DNA雙螺旋上設(shè)計了兩種蛋白分子的結(jié)合位點，并且調(diào)節(jié)其間DNA的長度。通過單分子全內(nèi)反射熒光顯微鏡可以觀察熒光標記的單個蛋白分子從其DNA結(jié)合位點上掉下來的速率，從而測定該蛋白分子對于此位點的相對結(jié)合能力。實驗表明兩個不同的DNA結(jié)合蛋白可以影響各自對DNA的結(jié)合能力，而且其變化隨兩個蛋白之間DNA鏈的長度同時增強或變?nèi)酰尸F(xiàn)出一種周期性，這個周期大約是10個堿基對，正好是DNA雙螺旋的一個周期，并且這種效應的大小會隨著兩個蛋白之間的距離增加而衰減。

研究人員進一步通過各種對照實驗及分子動力學模擬計算，確認了這種效應不是其它因素（如蛋白－蛋白相互作用、靜電相互作用等）造成的，而是由蛋白質(zhì)結(jié)合到DNA上導致的DNA雙螺旋的構(gòu)象變化即DNA的別構(gòu)效應引起的。

DNA別構(gòu)效應比較大，約有5倍左右，而這種效應因為傳統(tǒng)的系宗實驗不夠精確而一直無法被測得。此外，DNA的別構(gòu)效應是DNA的一個基本性質(zhì)，不依賴于蛋白質(zhì)的性質(zhì)及種類。由于很多DNA結(jié)合蛋白，如轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶等在DNA上經(jīng)常結(jié)合地較近，并協(xié)同行使功能，所以現(xiàn)在需要在理解基因調(diào)控的時候考慮這一效應。該項工作會還證明了DNA別構(gòu)效應的確可以在活細胞內(nèi)影響基因表達，所以這種效應在生理上是重要的。《科學》雜志在同期述評中也指出，這種通過雙螺旋DNA導致的別構(gòu)效應對于基因調(diào)控具有深遠意義。