單個DNA分子動力研究獲進展

　　無論是在病毒還是在細胞中，DNA皆以緊密壓縮的結構存在。比如，在真核細胞中，DNA纏繞在組蛋白周圍形成核小體，并進一步凝聚成大家熟知的染色體結構。在哺乳動物精子中，DNA凝聚成更致密的面包圈狀(toroid)結構。了解DNA這些緊密排列的結構，并分析它們形成的動力學過程，對認識DNA復制甚至繁殖等生命過程皆有重要的意義。盡管對DNA凝聚的研究有近半個世紀的歷史，人們對其動力學仍然知之甚少。

　　利用單分子操縱技術，研究人員可以在體外模擬單個DNA分子的凝聚。例如，中科院物理研究所李明研究員等在2006年用單分子磁鑷研究了多價陽離子作用下DNA的凝聚動力學，利用施加于DNA上的張力使其凝聚速率降低，在有限的時間分辨率下發現了DNA的非連續凝聚行為，并揭示了張力對DNA凝聚動力學的影響[(J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15040)]。

　　DNA是半柔性的高分子鏈，可以用彎曲彈性和扭轉彈性描述其力學性質。哺乳動物精子中的DNA凝聚成面包圈狀(toroid)的特殊結構以及實驗中所觀察到的非連續凝聚行為的物理根源是DNA的彎曲彈性。但DNA的扭轉彈性對DNA的凝聚有多大影響，還沒有明確說法。

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)李偉副研究員與李明研究員、王鵬業研究員以及新加坡國立大學嚴潔教授合作，用單分子技術研究了 DNA的扭轉對其凝聚動力學的影響。他們用直徑約1微米的超順磁球將一根約3微米長的DNA懸掛在磁場中，用磁鑷操縱單個DNA分子。當DNA的兩條鏈的端點都被固定時(一端固定在顯微鏡蓋玻片上，另一端固定在超順磁球上)，DNA的扭轉受到限制。實驗發現，DNA在凝聚過程中其扭轉彈性勢能會不斷累積。當扭轉彈性能積累到一定程度時，DNA在某一點達到凝聚與去凝聚之間的動態平衡。理論上，DNA的凝聚動力學由高價離子介導的DNA片段間的相互吸引和 DNA兩端所受的張力共同決定，而扭轉彈性勢能可調控DNA的凝聚，使系統自動到達凝聚平衡。

　　該工作首次明確了DNA的扭轉彈性對 DNA凝聚的影響，加深了人們對體內DNA凝聚的認識。例如，在DNA凝聚體與哺乳動物精子的核基質的結合部位有較大量的拓撲異構酶(一種釋放DNA超螺旋的酶)。這些酶在該結合部位起什么作用還不十分清楚。本工作似乎暗示它們可能與DNA的凝聚有關聯，用于釋放DNA的扭轉以便DNA充分凝聚。

　　相關結果發表在Physical Review Letters上(Phy. Rev. Lett. 2012, 109 218102)。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部973項目和中國科學院的資助。(來源：中科院物理研究所)