高电荷单分子膜上DNA构象的异常长/短尺度行为：离子强度调控的DNA弯曲与折叠机制

本研究针对DNA异常弯曲（kinks）在生物过程中的关键作用，通过原子力显微镜（AFM）技术，系统分析了高电荷单分子膜（GM-HOPG）上DNA的构象变化与离子强度的关系。研究发现，离子强度升高会显著降低DNA锐折（kinks）的线性密度，且其构象比经典蠕虫链模型（WLC）预测的更紧凑。该成果为理解DNA在生物环境中的动态折叠及基因调控机制提供了新视角。

　　

DNA作为生命遗传信息的载体，其构象动态一直是生物物理研究的核心问题。传统蠕虫链模型（Wormlike Chain, WLC）认为DNA是连续柔性的各向同性杆，但其在短尺度（<30 nm）的异常弯曲（如锐折kinks）仍存在争议。这些锐折不仅参与染色质高级结构的形成，还与基因转录、复制等关键过程密切相关。然而，锐折如何影响DNA长尺度构象，以及环境因素（如离子强度）如何调控这一过程，尚缺乏直接实验证据。

为解决这一问题，来自俄罗斯科学院的研究团队利用原子力显微镜（AFM），首次在高电荷单分子膜（GM修饰的HOPG表面）上观察到DNA的异常锐折现象，并系统分析了不同离子强度（KCl、NaCl、MgCl₂溶液）下DNA构象的变化。研究发现，低离子强度时DNA因强静电作用形成密集锐折（半径<3.5 nm），而离子强度升高会显著减少锐折密度。更引人注目的是，这些锐折导致DNA整体构象比WLC模型预测的投影构象更紧凑，揭示了静电作用与DNA柔性的动态平衡机制。

关键技术方法
研究采用线性化质粒pUC19 DNA（2686 bp）作为模型，通过AFM分别在常规云母表面和GM修饰的HOPG表面成像。通过调节KCl（10-30 mM）、NaCl（10-30 mM）和MgCl₂（0.33-1 mM）浓度模拟不同生理环境，定量分析DNA锐折密度与构象参数（如持久长度P）。

DNA形态学结果
AFM图像显示，GM-HOPG表面的DNA在低离子强度下呈现密集锐折（图2b-h），而传统云母表面的DNA保持典型WLC构象（图2a）。定量分析表明，锐折密度随KCl浓度从10 mM增至30 mM下降约40%，且二价Mg²⁺比一价离子对锐折的抑制更显著。

结论与意义
该研究首次阐明离子强度通过调控DNA-表面静电相互作用，动态影响锐折形成及其长尺度构象。这一发现不仅挑战了WLC模型在短尺度的适用性，还为理解染色质动态压缩（如核小体组装）提供了物理基础。此外，GM-HOPG体系为模拟生理环境中DNA-蛋白质相互作用提供了新平台，在DNA纳米技术（如分子电路设计）和靶向药物递送系统开发中具有潜在应用价值。论文发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，通讯作者Dmitry V. Klinov团队强调，未来需进一步探究锐折与特定序列的关联性及其在基因表达调控中的作用。