北京大學PNAS解析DNA修復機制

　　來自北京大學的研究人員在新研究中對雙鏈DNA分子中單個錯配堿基對自發翻轉（spontaneous flipping）的動力學進行了探測，研究結果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

　　北京大學的趙新生（Xin Sheng Zhao）教授和高毅勤（Yi Qin Gao）教授是這篇論文的共同通訊作者。前者的主要研究興趣生物單分子探測和生物分子識別。后者的研究領域為理論/計算機化學、生物物理化學。

　　DNA/RNA分子代謝過程中，堿基的損傷、烷基化以及非沃森-克里克配對（non-Watson-Crick）的情況時有發生，針對這些情況，生物體自身也進化出了相應的堿基修復機制。

　　1994年Kumar等人首次報道了5-胞嘧啶甲基轉移酶（m5C-MTases）與雙鏈DNA(dsDNA)分子復合物的晶體結構，從晶體結構中人們發現，目標堿基胞嘧啶（C）已從DNA雙螺旋結構中翻出，進入雙螺旋結構外的m5C-MTases的活性口袋結構。人們因此發現，堿基的修飾過程有極大的可能是發生在dsDNA分子雙螺旋結構之外的。而在此之前，則必須經歷堿基由雙螺旋結構內部向外翻轉的過程。

　　在隨后的近二十年時間里，隨著人們對DNA/RNA修復過程不斷地深入研究，越來越多的堿基修復蛋白被發現遵循著類似的將目標堿基翻轉出DNA分子雙螺旋結構之外的機制。然而，直到現在人們對于堿基翻轉的認識以及對其動力學機制的研究仍停留在猜測的水平。

　　基于一些間接的實驗和理論論據，科學家們探討演化出了三種截然不同的觀點。其中一種觀點認為錯配或損傷的堿基，因其無法形成正常穩定的Watson-Crick相互作用而存在有一定幾率自發翻轉出DNA分子雙螺旋結構，而在堿基自發翻轉出去之后，作為一種信號被修復蛋白識別并且捕獲。

　　過去，研究人員是通過亞氨基質子交換分析來獲得堿基自發翻轉的速率，但有人認為這種方法極有可能測得的是堿基搖擺（base wobbling）而非翻轉的速率。

　　在這篇新文章中，研究人員利用一些實驗技術和理論技術，確定了堿基自發翻轉的自由能和速率，提供了關于其分子機制的一些新認識。通過采用散延遲熒光相關光譜（diffusion decelerated fluorescence correlation spectroscopy, ddFCS）技術結合分子動力學模擬，他們證實在雙鏈DNA中單個錯配的堿基對(T–G, T–T, or T–C)中的一個堿基可以自發地翻轉出DNA分子雙螺旋結構。其在螺旋外時間為10ms級別，而在螺旋內的時間范圍為0.3-20s，這取決于堿基對的穩定性。

　　這些研究結果提供了關于DNA堿基翻轉動力學的詳細認識，為充分了解修復蛋白尋找和定位目標錯配堿基機制奠定了基礎。