Nature子刊：改写生化教科书的重要发现

为什么遗传信息储存在DNA而不是RNA中？

发表在2016年8月1日的《Nature Structural and Molecular Biology》杂志的一项研究，强调了DNA双螺旋结构的动态性，这对于维持基因组稳定性和防止疾病（如癌症和衰老），是极为重要的。这个发现可能会改写教科书关于“遗传信息的两个提供者——DNA和RNA之间的差异”的报道。

　　

生物通报道：最近，一项新的研究解释了“为什么DNA——而不是RNA，是遗传信息的主要储存库”。DNA双螺旋结构是一个更宽大的分子，可以将自己扭曲成不同的形状，将化学损伤吸引到遗传密码的基本构建模块——A、G、C和T。与之相反，当RNA扭曲成双螺旋的形式时，它是如此的坚硬和不易弯曲，也不能容纳损坏的碱基，它完全崩溃。

这项研究发表在2016年8月1日的《Nature Structural and Molecular Biology》杂志，强调了DNA双螺旋结构的动态性，这对于维持基因组稳定性和防止疾病（如癌症和衰老），是极为重要的。这个发现可能会改写教科书关于“遗传信息的两个提供者——DNA和RNA之间的差异”的报道。

这项研究的资深作者、杜克大学医学院的生物化学教授Hashim M. Al-Hashimi指出：“这些简单的美丽结构中，有一种惊人的复杂性，是我们一直不知道的全新层次或维度，因为直到现在我们都没有工具看到它们。”

DNA著名的双螺旋往往被描绘成一个螺旋楼梯，有两个长链彼此盘绕，其他台阶是由四个称为碱基的化学构建模块组成。这些碱基中的每一个都含有碳环，以及各种氮、氧和氢的结构。这些原子的排列可让G与C配对，A与T配对，就像一台精美机器中的联锁齿轮。相关阅读：Science：DNA断链如何保存基因组完整性？；Nature解答DNA完整性谜题。

当Watson和Crick在1953年发表了他们的DNA双螺旋结构模型时，他们准确地预测了这些碱基对如何会组装在一起。然而，其他研究人员试图提供这些所谓的Watson-Crick碱基对的证据。然后在1959年，一个叫Karst Hoogsteen的生物化学家拍了一张A-T碱基对的照片，它有一个稍微倾斜的几何结构，一个碱基相对于另一个碱基旋转180度。此后，科学家在静止的DNA图像中曾观察到Watson-Crick和Hoogsteen碱基对。

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五年前，Al-Hashimi和他的团队发现，碱基对在DNA双螺旋中的Watson-Crick和Hoogsteen结构之间，不断地来回变形。Al-Hashimi说，Hoogsteen碱基对通常出现在DNA跟一个蛋白质结合或受到化学刺激损害的时候。当DNA从蛋白质上释放或修复碱基损伤时，它就可以回到它更为简单的配对。

Al-Hashimi说：“DNA似乎用这些Hoogsteen碱基对，向其结构添加另一个维度，变形成不同的形状，以在细胞内实现更多的功能。”Al-Hashimi和他的团队想知道，当RNA——DNA和蛋白质之间的“中间人”形成双螺旋结构时，是否也可能发生同样的现象。由于碱基配对的这些变化涉及到在原子水平上的分子运动，通过传统的方法难以检测到它们。因此，Al-Hashimi的研究生Huiqing Zhou利用一种称为NMR松弛散布的精细成像技术，来显现这些微小的变化。首先，她设计了两个模型的双螺旋——一个由DNA制成，另一个由RNA制成。然后，她用NMR技术跟踪单个G和A碱基（根据Watson-Crick或Hoogsteen规则配对，组成上升的螺旋阶梯）的翻转。相关阅读：美院士首次揭示DNA超螺旋的三维结构.

之前的研究表明，在任何给定的时间，DNA双螺旋中百分之一的碱基，变成Hoogsteen碱基对。但是当Zhou观察相应的RNA双螺旋结构时，她发现，绝对没有检测到的运动；碱基对都冻结在原地，停留在Watson-Crick结构中。

研究人员想知道，他们的RNA模型是一种不寻常的例外或异常，所以他们设计了一系列范围广泛的RNA分子，并在各种各样的条件下测试了它们，但仍没有一个扭曲成Hoogsteen结构。他们担心，RNA事实上可能正在形成Hoogsteen碱基对，但它们发生的很快，因此他们没能捕捉到它们的行为。Zhou将一个被称为甲基的化学结构，添加到碱基上的具体位置，以阻断Watson-Crick碱基配对，所以RNA会被困在Hoogsteen结构中。她惊讶地发现，两股RNA链不是通过Hoogsteen碱基对连接，而是在损伤部位附近裂开。

这项研究的第一作者Zhou说：“在DNA中，这种修饰是一种形式的破坏，它可以很容易地通过翻转碱基并形成Hoogsteen碱基对，而被吸收。与之相反，同样的修饰严重破坏了RNA的双螺旋结构。”

研究小组认为，RNA不形成Hoogsteen碱基对，因为其双螺旋结构（称为A型）比DNA的结构（B型）更紧凑。因此，如果不拉伸一个碱基或者不绕原子移动，RNA就不能翻转另一个碱基，这将把螺旋弄乱。Al-Hashimi说：“对于双螺旋这样一个基本的结构，我们惊讶的发现，这些基本性质出现的太晚了。我们需要继续放大，以更深入地了解这些基本的生命分子。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文：
"m1A and m1G Potently Disrupt A-RNA Structure Due to the Intrinsic Instability of Hoogsteen Base Pairs," Huiqing Zhou, Isaac J. Kimsey, Evgenia N. Niklova, Bharathwaj Sathyamoorthy, Gianmarc Grazioli, James McSally, Tianyu Bai, Christoph H. Wunderlich, Christoph Kreutz, Ioan Andricioaei, and Hashim M. Al-Hashimi. Nature Structural and Molecular Biology, Aug. 1, 2016. https://dx.doi.org/10.1038/nsmb.3270.