北京大学PNAS解析DNA修复机制

　　

生物通报道  来自北京大学的研究人员在新研究中对双链DNA分子中单个错配碱基对自发翻转（spontaneous flipping）的动力学进行了探测，研究结果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

北京大学的赵新生（Xin Sheng Zhao）教授和高毅勤（Yi Qin Gao）教授是这篇论文的共同通讯作者。前者的主要研究兴趣生物单分子探测和生物分子识别。后者的研究领域为理论/计算机化学、生物物理化学。

DNA/RNA分子代谢过程中，碱基的损伤、烷基化以及非沃森-克里克配对（non-Watson-Crick）的情况时有发生，针对这些情况，生物体自身也进化出了相应的碱基修复机制。

1994年Kumar等人首次报道了5-胞嘧啶甲基转移酶（m5C-MTases）与双链DNA(dsDNA)分子复合物的晶体结构，从晶体结构中人们发现，目标碱基胞嘧啶（C）已从DNA双螺旋结构中翻出，进入双螺旋结构外的m5C-MTases的活性口袋结构。人们因此发现，碱基的修饰过程有极大的可能是发生在dsDNA分子双螺旋结构之外的。而在此之前，则必须经历碱基由双螺旋结构内部向外翻转的过程。

在随后的近二十年时间里，随着人们对DNA/RNA修复过程不断地深入研究，越来越多的碱基修复蛋白被发现遵循着类似的将目标碱基翻转出DNA分子双螺旋结构之外的机制（延伸阅读：程晓东教授Nature解答表观遗传谜题 ）。然而，直到现在人们对于碱基翻转的认识以及对其动力学机制的研究仍停留在猜测的水平。

基于一些间接的实验和理论论据，科学家们探讨演化出了三种截然不同的观点。其中一种观点认为错配或损伤的碱基，因其无法形成正常稳定的Watson-Crick相互作用而存在有一定几率自发翻转出DNA分子双螺旋结构，而在碱基自发翻转出去之后，作为一种信号被修复蛋白识别并且捕获。

过去，研究人员是通过亚氨基质子交换分析来获得碱基自发翻转的速率，但有人认为这种方法极有可能测得的是碱基摇摆（base wobbling）而非翻转的速率。

在这篇新文章中，研究人员利用一些实验技术和理论技术，确定了碱基自发翻转的自由能和速率，提供了关于其分子机制的一些新认识。通过采用散延迟荧光相关光谱（diffusion decelerated fluorescence correlation spectroscopy, ddFCS）技术结合分子动力学模拟，他们证实在双链DNA中单个错配的碱基对(T–G, T–T, or T–C)中的一个碱基可以自发地翻转出DNA分子双螺旋结构。其在螺旋外时间为10ms级别，而在螺旋内的时间范围为0.3-20s，这取决于碱基对的稳定性。

这些研究结果提供了关于DNA碱基翻转动力学的详细认识，为充分了解修复蛋白寻找和定位目标错配碱基机制奠定了基础。

（生物通：何嫱）

作者简介：

赵新生

长江特聘教授

工作经历
1984-1990，北京大学化学系，讲师
1989-1990，美国麻省理工学院，博士后
1990-1992，北京大学化学系，副教授
1992-2000，北京大学化学与分子工程学院，教授
2000-现在，北京大学化学与分子工程学院长江特聘教授
2010-现在，北京大学生物动态光学成像中心研究员

主要研究方向
主要研究兴趣是以单分子探测技术为主研究生物分子反应，特别是酶对核酸进行化学修饰和细菌对外膜蛋白进行保护和质量控制过程的微观动力学机理。

高毅勤

1972年出生，1993年本科毕业于四川大学化学系，1996年在中科院化学所获得硕士学位， 2001年获得加州理工学院博士学位。2001年至2004年间在加州理工学院和哈佛大学做博士后研究。2005年-2009年，他于美国得克萨斯农工大学（Texas A&M University）化学系任助理教授。2009至今担任北京大学化学与分子工程学院教授。
 
高毅勤教授的研究领域是理论/计算机化学、生物物理化学，曾获美国Searle Scholar，Dreyfus新教授奖和Clauser Prize奖等。

生物通推荐原文摘要：

Dynamics of spontaneous flipping of a mismatched base in DNA duplex

DNA base flipping is a fundamental theme in DNA biophysics. The dynamics for a B-DNA base to spontaneously flip out of the double helix has significant implications in various DNA–protein interactions but are still poorly understood. The spontaneous base-flipping rate obtained previously via the imino proton exchange assay is most likely the rate of base wobbling instead of flipping. Using the diffusion-decelerated fluorescence correlation spectroscopy together with molecular dynamics simulations, we show that a base of a single mismatched base pair (T–G, T–T, or T–C) in a double-stranded DNA can spontaneously flip out of the DNA duplex. The extrahelical lifetimes are on the order of 10 ms, whereas the intrahelical lifetimes range from 0.3 to 20 s depending on the stability of the base pairs. These findings provide detailed understanding on the dynamics of DNA base flipping and lay down foundation to fully understand how exactly the repair proteins search and locate the target mismatched base among a vast excess of matched DNA bases.