序列编码的DNA/RNA分子间碱基配对调控生物分子凝聚体流动性的机制研究

本研究针对生物分子凝聚体流动性调控的分子机制难题，通过设计具有可编程杂交位点的核酸序列，结合多价阳离子诱导的复杂凝聚现象，揭示了序列特异性分子间杂交能通过瞬时交联作用显著降低链动态性，从而实现对凝聚体宏观流变学特性的精确调控。研究人员开发了"patchyDNA"系统，证明分子扩散系数(Dself)和粘度(η)与杂交自由能(ε)呈指数关系，该发现为构建可编程生物材料及理解细胞内RNA颗粒形成机制提供了新范式。

　　

生命体内通过自下而上的自组装构建具有惊人复杂性和功能性的结构，但分子尺度相互作用如何转化为宏观特性仍是重大挑战。核酸因其独特的序列特异性结合能力成为生命的基础，但如何利用这种特性调控生物分子凝聚体的物理性质尚不明确。在细胞内，RNA与多价阳离子（如多胺）相互作用形成具有液态特性的无膜细胞器，如核仁和应激颗粒，这些结构的动态特性与其功能密切相关。然而，序列特异性RNA-RNA相互作用如何影响凝聚体性质仍缺乏系统研究。

为回答这些问题，来自美国的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究。他们通过设计具有特定杂交位点的核酸序列，结合荧光恢复漂白(FRAP)、单粒子追踪显微流变学和液滴融合动力学分析等技术，系统研究了序列编码的分子间相互作用对凝聚体流变学特性的调控机制。研究特别关注了人类细胞中天然存在的四价阳离子亚精胺诱导的相分离体系，以及RNA与多聚赖氨酸(K10)肽的相互作用模型。

设计具有自关联位点的核酸
研究人员以90聚体脱氧胸苷酸(T-90)为骨架，设计了一系列含2-8个核苷酸回文序列的"patchyDNA"。这些杂交位点被≥15个非杂交T碱基间隔，避免相邻位点间的协同作用。通过改变位点序列或温度，可精确调控杂交自由能(ε=-ΔG/(k_BTN_A))在0-20之间变化。荧光共振能量转移(FRET)实验证实，在凝聚相中DNA分子间距接近分子尺度（约5nm），而溶液相中无稳定二聚体形成。

碱基配对调控链动态性
FRAP分析显示，随着ε增加，荧光恢复时间(T_FRAP)显著延长，DNA自扩散系数(D_self)从0.32±0.16μm²/s（ε=0）降至(3.6±1.3)×10^-4μm²/s（ε=20.2）。温度升高可降低ε值，使D_self增加。所有数据在半对数坐标上呈线性关系，表明D_self与ε符合指数关系，符合"粘性Rouse模型"预测，即聚合物扩散速率与分子间交联寿命(τ_bond~e^ε)成反比。

分子间杂交调控材料特性
通过追踪100nm聚苯乙烯微球的运动，发现所有凝聚体的均方位移(MSD)与时间呈线性关系（MSD~t^α, α≈1），表现为纯粘性流体特性。粘度η从0.56±0.32 Pa·s（ε=0）增至191±97 Pa·s（ε=12.5）。液滴融合实验测得界面张力γ≈400-1200μN/m，且与ε无关。通过分析融合时间(τ_fusion)与液滴尺寸(l)的关系，发现η/γ比值随ε呈指数增长，跨越6个数量级。

异型相互作用设计刺激响应凝聚体
通过设计互补的"primary strand"和"actuator strand"系统，证明外源DNA触发链可通过异型杂交精确调控凝聚体性质。当两种链以化学计量比混合时，D_self和η与异型杂交能(ε_heterotypic)同样呈现指数关系，实现了对外部刺激的响应性调控。

RNA-肽凝聚体的材料特性调控
在60聚体尿苷酸(rU-60)中引入4个杂交位点，与K10肽形成复合凝聚体。随着ε_RNA从0增至9.5，粘度从4.4±1.6 Pa·s增至476±96 Pa·s，且符合指数关系。界面张力(~1mN/m)基本不受ε_RNA影响，再次验证了RNA-RNA杂交对材料特性的主导作用。

这项研究开创性地建立了核酸序列与凝聚体宏观性质之间的定量关系，揭示了分子间瞬时杂交作为"分子减震器"的核心作用。其重要意义体现在三方面：首先，为构建具有可编程流变学特性的新型生物材料提供了通用平台，通过简单改变序列即可实现粘度等特性的数量级调控；其次，为理解细胞内RNA颗粒的动态特性提供了物理框架，提示RNA序列变异可能通过改变相行为导致疾病；最后，建立的"patchyDNA"系统为研究关联聚合物动力学提供了理想模型，克服了传统合成聚合物难以精确控制相互作用位点的局限。该研究架起了分子设计与宏观特性之间的桥梁，对合成生物学、药物递送和神经退行性疾病研究都具有深远影响。