《自然》文章解析DNA的惊人发现

　　

生物通报道：提到DNA，我们脑中浮现的往往是其缠绕状态的图片，可以说对这种细胞遗传信息“存储器”很熟悉，但是关于这种经典的双螺旋模型中DNA缠绕的松紧程度，我们却所知甚少。人类一条伸展到全长状态的单链DNA会长达3英尺，但是折叠在细胞核内时长度仅为百万分之一英寸。长期以来生物学家一直凭直觉认为DNA分子一旦被拉直，其双螺旋结构就会被展开。最近一项研究发现真实结果并不如此。

美国国家能源部劳伦斯柏克莱国家实验室(US Department of Energy`s Lawrence Berkeley National Laboratory)和加州大学的研究人员利用显微磁珠和磁性镊子发现当一条DNA分子被拉直后，其趋向于过度扭曲(overwind)。直到施加在伸展DNA上的外力超过30皮牛顿（picoNewton）才有可能消除这种过度扭曲，达到传统观点中的DNA拉直状态。

实验带头人、生物物理学家Carlos Bustamante 说：“DNA的螺旋结构暗示扭曲和伸展是相辅相成的，这就是为什么我们直接测量处于扭曲－伸展状态的DNA长度，而不是测量拉直状态过度扭曲的DNA长度。”

Bustamante是利用可视操作单分子技术研究分子马达动力、结构和核蛋白质装配领域的权威，兼职于柏克莱实验室物理生物科学部门(Physical Biosciences Division)，柏克莱分子细胞生物学、物理学和化学分部，并且是霍华德休斯医学院的研究员。

研究结果刊登于《NATURE》，标题为DNA Overwinds When Stretched，目前已经可以获得其网络版文章。

DNA依靠双螺旋结构神奇地复制、转录基因组信息为蛋白形式。 因此，自从50多年前Watson 和 CrickDNA首次发现DNA双螺旋结构以来，弄清双螺旋的结构特点是科学家始终关注的课题。Bustamante便是此研究领域的先锋之一，十几年前，他和他的研究小组就已经利用微珠附着DNA分子，对DNA弹性进行测量。在其取得的众多重大突破之中，最有名的成果就是转动磁珠跟踪技术（rotor bead tracking，生物通译）。

转动磁珠跟踪技术中，单链DNA分子的一端被锚定于玻璃表面，另一端用一枚磁珠附着。控制磁珠的磁场能够对DNA分子的拉直过程提供测量标准和高度可控的拉伸范围。用生化方法延DNA双链上挑取一个“缺口”得到可以自由旋转的单链分子。然后立刻用经过荧光染料包被的塑胶珠附着缺口下方的DNA，作为能够检测扭曲度的转动子。研究人员可以通过改变磁珠转头的角度，利用落射荧光显微镜进行观察，反映DNA旋扭的移位。

 
地高辛碱性磷酸酶包被盖玻片

为了检测DNA分子过度扭曲所带来的一系列现象，DNA在盖玻片和顺次性磁珠之间得到拉伸，用荧光染料包被的转动子附着于缺口下方的DNA。通过提高或者降低磁铁可以控制DNA上的张力，跟踪转动子发出的荧光记录螺旋的变化情况

Bustamante 说：“当我们在DNA分子上施加外力时，转动子扭转的角度反映了下方DNA片段的螺旋变化。拉直状态的过度扭曲现象提示DNA拉伸－扭转常数是负值，假如我们人为使DNA过度扭曲，那么其长度会更长。确实，我们发现过度扭曲使DNA分子每圈螺旋大约延长了0.5纳米。”

Bustamante和其合作者用简单的“玩具”模型对过度扭曲进行解释。“玩具”模型中，DNA分子被拉直时，双螺旋的半径缩减。模型由外面缠绕着金属丝的弹性棒组成，类似于DNA糖－磷酸骨架。并且弹性棒由特殊材料制成，在压力作用下体积保持不变。

                   
图中灰色部分为弹性棒模型，其外周的红色线条代表DNA螺旋。拉伸会使弹性棒的内径缩减，因此引起外部螺旋过度扭曲。外部螺旋在其分子拉直状态所应具有的长度之上可以再缠绕数圈。

由Bustamante及其同事得到的这种扭曲－伸展结果为研究结合在DNA分子上的蛋白质延双螺旋结构识别其特异结合位点的机制有很大的提示作用。现在Bustamante可以在实验过程中同步拉伸和过度扭曲DNA分子或者压缩和解螺旋DNA分子。

Bustamante说：“相信我们的研究结果为探索DNA双螺旋结构这个古老而又重要的问题带来新思路，除了改进对DNA/蛋白相互作用的理解外，我们的实验为纳米技术的应用提供了新的思路。”（生物通记者宗敏）