毛细管电泳揭示非对称单链DNA寡聚体中发夹结构与自二聚体的共存现象及其温度依赖性转化机制

毛细管电泳（CE）技术首次在非对称26核苷酸单链DNA（ssDNA）中同步检测到发夹结构（hairpins）与自二聚体（self-dimers）的共存现象。研究通过温度梯度实验（15–60°C）和Na+浓度调控（≥80 mM），揭示了二者在低温和高离子强度下的动态平衡，为DNA构象转化路径（duplex?hairpin?random coil）提供了直接实验证据，对理解细胞内ssDNA的复制、转录调控机制具有重要意义。

　　

毛细管电泳技术揭示DNA构象动态平衡

1 引言
单链DNA（ssDNA）在复制、转录等细胞过程中扮演关键角色。早期研究发现，对称性DNA十二聚体在高Na⁺浓度（≥100 mM）下呈现单相热变性，而在低Na⁺（≤10 mM）条件下会先形成发夹结构再解链为无规卷曲。毛细管电泳（CE）通过分析迁移率（μ）差异，成为研究核酸构象的理想工具——双链DNA（dsDNA）因电荷密度高迁移最快，发夹结构因构象紧凑快于无规卷曲。

2 材料与方法
研究选用两种非对称26nt ssDNA（A3T4和A4T3，含62% A+T），通过DINAMelt软件预测其发夹结构和自二聚体构型。CE实验在涂覆线性聚丙烯酰胺的毛细管中进行，背景电解质（BGE）含80–300 mM Na⁺，温度范围15–60°C。以随机序列T16为对照，通过迁移率比值（μ_oligo/μ_T16）构建熔解曲线。

3 结果与讨论
3.1 发夹与自二聚体的同步检测
15°C下，A3T4在150 mM Na⁺中呈现双峰：快峰（自二聚体，高电荷密度）与慢峰（发夹结构）。升温至20°C时双峰合并，25°C仅存单峰，表明自二聚体→发夹转化。A4T3表现类似，但转化温度更高（35°C），可能因其自二聚体含额外GC/CG和错配AG碱基对。

3.2 发夹解链的离子依赖性
A3T4发夹的实测熔解温度（T_m）与DINAMelt预测高度吻合（如88 mM Na⁺下实测37°C vs 预测41°C）。而A4T3发夹因茎部存在AG/GC错配，在低Na⁺下T_m介于两种预测构型之间，高Na⁺（150 mM）时则趋近于纯A/T茎的预测值（57°C），表明Na⁺可稳定主干结构。

3.3 构象转化的分子机制
研究挑战了DNA解链必须经历无规卷曲中间态的旧观点。发现自二聚体可直接通过3'端碱基堆叠和茎部1–2bp解离转化为发夹，符合"七碱基规则"（seven consecutive bp决定双链稳定性）。但发夹形成更依赖序列特异性，如A5T5（含46% A+T）在NH₄⁺电解质中同样呈现双构象共存。

4 结论
该研究通过CE首次捕获非对称ssDNA中自二聚体与发夹结构的动态平衡，阐明温度与Na⁺浓度对构象转化的调控作用。发现发夹可作为双链→单链转化的中间态，为理解核酸折叠路径（如CRISPR引导RNA构象变化）提供新视角。后续可拓展至RNA寡聚体及病理相关序列（如三核苷酸重复疾病）的研究。