《Physical Review Letters》發(fā)表武漢大學(xué)張興華-譚志杰合作論文，揭示核酸與離子相互作用新機(jī)制
2020年2月7日，武大生科院張興華與物理院譚志杰合作，在Physical Review Letters（IF= 9.227）上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于核酸與離子相互作用的研究成果，揭示了DNA容易凝聚而RNA難以凝聚的機(jī)制。論文題為“Opposite Effects of High-Valent Cations on the Elasticities of DNA and RNA Duplexes Revealed by Magnetic Tweezers”。
DNA和RNA可以形成非常相似雙螺旋結(jié)構(gòu)，但是其性質(zhì)又有微妙的差別，導(dǎo)致DNA而不是RNA在進(jìn)化中被選擇成為主要的遺傳物質(zhì)載體。DNA分子是“狹長(zhǎng)”的高聚物分子，帶有大量負(fù)電，帶有負(fù)電荷的DNA鏈之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的排斥力而難于被壓縮。在體內(nèi)，DNA可在高價(jià)陽(yáng)離子蛋白的幫助下壓縮。在細(xì)胞內(nèi)通過(guò)核小體-染色質(zhì)-染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)等被高度壓縮4-5個(gè)數(shù)量級(jí)儲(chǔ)存在細(xì)胞核中。特別是在精子細(xì)胞中，DNA會(huì)被凝聚成為致密的螺旋管（toroid）結(jié)構(gòu)。雖然RNA雙鏈與DNA雙鏈有著非常類似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，然而RNA雙鏈很難在高價(jià)陽(yáng)離子的幫助下壓縮凝聚。
該論文的作者通過(guò)單分子磁鑷實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，高價(jià)陽(yáng)離子傾向結(jié)合在RNA的大溝內(nèi)，使得大溝變窄而夾緊高價(jià)陽(yáng)離子，從而導(dǎo)致RNA變硬而難以凝聚。高價(jià)陽(yáng)離子傾向結(jié)合在DNA的負(fù)電磷酸骨架，中和了DNA的負(fù)電性而降低了DNA鏈間排斥，從而導(dǎo)致DNA軟而容易凝聚。不同的離子結(jié)合方式，是高價(jià)陽(yáng)離子對(duì)DNA和RNA產(chǎn)生相反影響的原因。
該論文的共同第一作者為武大生科院博士生付航、張晨與武大物理院的博士生強(qiáng)曉偉，通訊作者為武大生科院張興華老師與武大物理院譚志杰老師。武大單分子公眾號(hào)全文鏈接 https://mp.weixin.qq.com/s/EcUdPE-YAOdslMev9-rcnw。
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此外，2019年1月22日，武大生科院張興華團(tuán)隊(duì)在Biophysical Journal發(fā)表了關(guān)于RNA-DNA雜合雙鏈（RDH）的研究論文，該文題為”The Mechanical Properties of RNA-DNA Hybrid Duplex Stretched by Magnetic Tweezers”，被選為Biophysical Journal 雜志的2019年最佳論文。
正常轉(zhuǎn)錄中，隨著轉(zhuǎn)錄泡前進(jìn)，新生的RNA會(huì)被重新形成的DNA雙鏈擠出。如果RNA分子不能被擠出（如遇到富含G、三堿基重復(fù)等序列），將形成由RDH雙鏈和單鏈DNA構(gòu)成的R-loop。R-loop會(huì)影響基因組完整性，也能調(diào)控基因的表達(dá)。RNA酶H、解旋酶等可以降低R環(huán)的對(duì)基因組穩(wěn)定性的不利影響。大約59%的人類基因包含RDH形成序列，而RDH占哺乳動(dòng)物基因組中的比例可達(dá)到5%。RDH的形成會(huì)引起DNA損傷和基因組不穩(wěn)定，這與一些癌癥的發(fā)生相關(guān)，并且40多種神經(jīng)-肌肉退行性疾病的發(fā)生有關(guān)。比如，我們熟知的漸凍人癥和亨廷頓舞蹈癥等。
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