PNAS头条：一种新型双链DNA结构

　　

生物通报道：关于双链DNA，我们熟悉的结构是一种右手螺旋结构，也就是B-DNA，还有一种A-DNA和Z-DNA，另外2006年来自斯坦福大学的研究人员确定出了xDNA的结构，这是一种膨胀的DNA，具有奇怪的双螺旋分子。那么DNA结构还有其它形式吗？

近期来自新加坡国立大学的研究人员发表了题为“Two distinct overstretched DNA structures revealed by single-molecule thermodynamics measurements”的文章，报道了一种新型的双链DNA结构：S-DNA，这项研究不仅证明了S-DNA的存在，而且也提出了S-DNA的一些应用，相关成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

领导这一研究的是新加坡国立大学严洁教授，曾在Nucleic Acids Research上发表文章，通过拉伸B-DNA得到S-DNA，研究组发现DNA的过度牵张涉及了两个跃迁，这在跃迁动力学上非常显著，然而是否这种未知的DNA结构由非滞后的跃迁产生目前仍然不清楚。

双链DNA为了执行多种功能，出现了多种结构，Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。

但是研究表明DNA的结构是动态的。当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA。由此可见A-DNA构象对基因表达有重要意义。此外，B-DNA双链都被RNA链所取代而得到由两条RNA链组成的双螺旋结构也是A-DNA。

为了解析S-DNA结构，研究人员验证了和两种跃迁相关的热力学，发现非滞后的跃迁在滞后剥离跃迁中发现的大正向熵变相反。这表明DNA重排是一种高度有序状态，而两种跃迁之间的选择依赖于DNA碱基对的稳定性，可以在多维图像中观察到。

这项研究不仅解答了关于S-DNA这种神秘的结构是否存在的质疑，而且也为研究S-DNA的新功能提供了新的思路，这种结构具有拉长的特点，因此可能可以用做DNA插入剂的一种结合底物，比如化疗过程中，抑制癌细胞过度繁殖的DNA复制。还有DNA结合蛋白也能利用利用加入侧链来破坏DNA的主链，这时S-DNA或许可以作为有机体中研究的潜在的结合靶点。

多年来，DNA结构的研究手段主要是X射线衍射技术，其结果是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平均值而获得的。但这项技术的样品分析条件使被测DNA分子与天然状态相差甚远。因此，在反映DNA结构真实性方面这种方法存在着缺陷。

这项研究采用的是单分子热力学技术（Single-molecule thermodynamics），这是一种能用于分析DNA过度延伸转换的新技术。研究表明利用这种技术，能揭示两种不同结构的转换，比如从B-to-S DNA的转换。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Two distinct overstretched DNA structures revealed by single-molecule thermodynamics measurements
Double-stranded DNA is a dynamic molecule whose structure can change depending on conditions. While there is consensus in the literature about many structures DNA can have, the state of highly-stretched DNA is still not clear. Several groups have shown that DNA in the torsion-unconstrained B-form undergoes an “overstretching” transition at a stretching force of around 65 pN, which leads to approximately 1.7-fold elongation of the DNA contour length. Recent experiments have revealed that two distinct structural transitions are involved in the overstretching process: (i) a hysteretic “peeling” off one strand from its complementary strand, and (ii) a nonhysteretic transition that leads to an undetermined DNA structure. We report the first simultaneous determination of the entropy (ΔS) and enthalpy changes (ΔH) pertaining to these respective transitions. For the hysteretic peeling transition, we determined ΔS ∼ 20 cal/(K.mol) and ΔH ∼ 7 kcal/mol. In the case of the nonhysteretic transition, ΔS ∼ -3 cal/(K.mol) and ΔH ∼ 1 kcal/mol. Furthermore, the response of the transition force to salt concentration implies that the two DNA strands are spatially separated after the hysteretic peeling transition. In contrast, the corresponding response after the nonhysteretic transition indicated that the strands remained in close proximity. The selection between the two transitions depends on DNA base-pair stability, and it can be illustrated by a multidimensional phase diagram. Our results provide important insights into the thermodynamics of DNA overstretching and conformational structures of overstretched DNA that may play an important role in vivo.