無論是在病毒還是在細(xì)胞中,，DNA皆以緊密壓縮的結(jié)構(gòu)存在,。比如,，在真核細(xì)胞中,，DNA纏繞在組蛋白周圍形成核小體,，并進(jìn)一步凝聚成大家熟知的染色體結(jié)構(gòu)。在哺乳動(dòng)物精子中,，DNA凝聚成更致密的面包圈狀（toroid）結(jié)構(gòu),。了解DNA這些緊密排列的結(jié)構(gòu)，并分析它們形成的動(dòng)力學(xué)過程,，對(duì)認(rèn)識(shí)DNA復(fù)制甚至繁殖等生命過程皆有重要的意義,。盡管對(duì)DNA凝聚的研究有近半個(gè)世紀(jì)的歷史,，人們對(duì)其動(dòng)力學(xué)仍然知之甚少。
利用單分子操縱技術(shù),，研究人員可以在體外模擬單個(gè)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(jià)陽離子作用下DNA的凝聚動(dòng)力學(xué),，利用施加于DNA上的張力使其凝聚速率降低,，在有限的時(shí)間分辨率下發(fā)現(xiàn)了DNA的非連續(xù)凝聚行為，并揭示了張力對(duì)DNA凝聚動(dòng)力學(xué)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(zhuǎn)彈性描述其力學(xué)性質(zhì)。哺乳動(dòng)物精子中的DNA凝聚成面包圈狀（toroid）的特殊結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)中所觀察到的非連續(xù)凝聚行為的物理根源是DNA的彎曲彈性,。但DNA的扭轉(zhuǎn)彈性對(duì)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(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）李偉副研究員與李明研究員,、王鵬業(yè)研究員以及新加坡國立大學(xué)嚴(yán)潔教授合作，用單分子技術(shù)研究了DNA的扭轉(zhuǎn)對(duì)其凝聚動(dòng)力學(xué)的影響,。他們用直徑約1微米的超順磁球?qū)⒁桓s3微米長的DNA懸掛在磁場中,，用磁鑷操縱單個(gè)DNA分子,。當(dāng)DNA的兩條鏈的端點(diǎn)都被固定時(shí)（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(zhuǎn)受到限制,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，DNA在凝聚過程中其扭轉(zhuǎn)彈性勢能會(huì)不斷累積。當(dāng)扭轉(zhuǎn)彈性能積累到一定程度時(shí),，DNA在某一點(diǎn)達(dá)到凝聚與去凝聚之間的動(dòng)態(tài)平衡,。理論上，DNA的凝聚動(dòng)力學(xué)由高價(jià)離子介導(dǎo)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(zhuǎn)彈性勢能可調(diào)控DNA的凝聚,，使系統(tǒng)自動(dòng)到達(dá)凝聚平衡。
該工作首次明確了DNA的扭轉(zhuǎn)彈性對(duì)DNA凝聚的影響,，加深了人們對(duì)體內(nèi)DNA凝聚的認(rèn)識(shí),。例如，在DNA凝聚體與哺乳動(dòng)物精子的核基質(zhì)的結(jié)合部位有較大量的拓?fù)洚悩?gòu)酶（一種釋放DNA超螺旋的酶）,。這些酶在該結(jié)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(guān)聯(lián)，用于釋放DNA的扭轉(zhuǎn)以便DNA充分凝聚,。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Physical Review Letters上（Phy. Rev. Lett. 2012, 109 218102）,。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委,、科技部973項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.218102
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Impact of DNA Twist Accumulation on Progressive Helical Wrapping of Torsionally Constrained DNA
Wei Li1, Peng-Ye Wang1, Jie Yan2,*, and Ming Li1,†
DNA wrapping is an important mechanism for chromosomal DNA packaging in cells and viruses. Previous studies of DNA wrapping have been performed mostly on torsionally unconstrained DNA, while in vivo DNA is often under torsional constraint. In this study, we extend a previously proposed theoretical model for wrapping of torsionally unconstrained DNA to a new model including the contribution of DNA twist energy, which influences DNA wrapping drastically. In particular, due to accumulation of twist energy during DNA wrapping, it predicts a finite amount of DNA that can be wrapped on a helical spool. The predictions of the new model are tested by single-molecule study of DNA wrapping under torsional constraint using magnetic tweezers. The theoretical predictions and the experimental results are consistent with each other and their implications are discussed.
