作者:李伟等 来源:PRL 发布时间:2012-12-24 10:30:05
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单个DNA分子动力研究获进展

                         图1: DNA凝聚单分子实验示意图以及DNA分子在有/无扭转限制下的不同凝聚行为。DNA的凝聚在实验上表现为其长度随时间

                               减小,每一个台阶对应于DNA在toroid上凝聚一圈。虚线为理论预言的在扭转限制条件下DNA的最大凝聚程度。


 图2: 理论模型表明,DNA在凝聚中积累的扭转弹性能使DNA的凝聚很快达到力学平衡,且该平衡位置(Ne)是DNA所受张力的函数。初始
条件下系统在M1点的能量高于在M2点的能量,随着凝聚圈数(N)的增加,能量差逐渐变小并最终达到平衡。
无论是在病毒还是在细胞中,DNA皆以紧密压缩的结构存在。比如,在真核细胞中,DNA缠绕在组蛋白周围形成核小体,并进一步凝聚成大家熟知的染色体结构。在哺乳动物精子中,DNA凝聚成更致密的面包圈状(toroid)结构。了解DNA这些紧密排列的结构,并分析它们形成的动力学过程,对认识DNA复制甚至繁殖等生命过程皆有重要的意义。尽管对DNA凝聚的研究有近半个世纪的历史,人们对其动力学仍然知之甚少。
 
利用单分子操纵技术,研究人员可以在体外模拟单个DNA分子的凝聚。例如,中科院物理研究所李明研究员等在2006年用单分子磁镊研究了多价阳离子作用下DNA的凝聚动力学,利用施加于DNA上的张力使其凝聚速率降低,在有限的时间分辨率下发现了DNA的非连续凝聚行为,并揭示了张力对DNA凝聚动力学的影响[(J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15040)]。
 
DNA是半柔性的高分子链,可以用弯曲弹性和扭转弹性描述其力学性质。哺乳动物精子中的DNA凝聚成面包圈状(toroid)的特殊结构以及实验中所观察到的非连续凝聚行为的物理根源是DNA的弯曲弹性。但DNA的扭转弹性对DNA的凝聚有多大影响,还没有明确说法。
 
最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)李伟副研究员与李明研究员、王鹏业研究员以及新加坡国立大学严洁教授合作,用单分子技术研究了DNA的扭转对其凝聚动力学的影响。他们用直径约1微米的超顺磁球将一根约3微米长的DNA悬挂在磁场中,用磁镊操纵单个DNA分子。当DNA的两条链的端点都被固定时(一端固定在显微镜盖玻片上,另一端固定在超顺磁球上),DNA的扭转受到限制。实验发现,DNA在凝聚过程中其扭转弹性势能会不断累积。当扭转弹性能积累到一定程度时,DNA在某一点达到凝聚与去凝聚之间的动态平衡。理论上,DNA的凝聚动力学由高价离子介导的DNA片段间的相互吸引和DNA两端所受的张力共同决定,而扭转弹性势能可调控DNA的凝聚,使系统自动到达凝聚平衡。
 
该工作首次明确了DNA的扭转弹性对DNA凝聚的影响,加深了人们对体内DNA凝聚的认识。例如,在DNA凝聚体与哺乳动物精子的核基质的结合部位有较大量的拓扑异构酶(一种释放DNA超螺旋的酶)。这些酶在该结合部位起什么作用还不十分清楚。本工作似乎暗示它们可能与DNA的凝聚有关联,用于释放DNA的扭转以便DNA充分凝聚。
 
相关结果发表在Physical Review Letters上(Phy. Rev. Lett. 2012, 109 218102)。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部973项目和中国科学院的资助。(来源:中科院物理研究所)
 
 
 
 
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