Физика скручивания ДНК и РНК
Двойная спиральная структура ДНК деформируется внешними раздражителями, которые затем влияют на экспрессию генов и в конечном итоге запускают последовательность клеточных процессов. Недавнее исследование под руководством физика из Городского университета Гонконга (CityU) выявило значительные деформации ДНК под действием ионов и изменений температуры. Исследователи разработали одну простую физическую модель для объяснения деформации ДНК. Эти результаты дают новое представление о молекулярных механизмах клеточных реакций на ионы и изменения температуры и могут быть использованы для контроля экспрессии генов с помощью ионов и температуры.
Доктор Дай и его команда предлагают единый механизм для объяснения четырех сценариев: растяжение может вызывать увеличение и уменьшение поворотов ДНК и РНК в зависимости от ситуации с ДНК и РНК. Кредит: X.-W. Q., C.Z. и H.-L. Д. и др.
Влияние изменений скручивания ДНК на экспрессию генов
Исследование, которым руководили доктор Дай Лян, доцент кафедры физики CityU, и его сотрудники из Уханьского университета, фокусируются на изменениях скручивания ДНК во время деформаций ДНК, поскольку скручивание является ключевым структурным параметром ДНК. двойная спираль. Увеличение угла поворота ДНК (перекручивание) не только приводит к образованию суперспиралей ДНК, но также увеличивает затраты энергии на расстегивание ДНК и, следовательно, подавляет экспрессию генов .. Обратите внимание, что одним из ключевых этапов экспрессии генов является распаковка двухцепочечной ДНК на две одноцепочечные ДНК, чтобы можно было прочитать последовательность ДНК. С другой стороны, уменьшение числа поворотов ДНК (раскручивание) способствует экспрессии генов. «Активный контроль угла поворота ДНК, или суперспирали ДНК, используется бактериями для регуляции экспрессии генов», — объяснил доктор Дай.
Наблюдение за изменением скручивания ДНК в зависимости от соли и температуры
В своем исследовании доктор Дай и его сотрудники наблюдали существенные изменения скручивания ДНК при изменении концентрации соли и температуры. Их эксперименты показывают, что скручивание ДНК увеличивается с ростом концентрации хлорида натрия (NaCl) и хлорида калия (KCl).
Раскрыл тайну механизма поворота-переключения
Наблюдая за интригующими результатами изменений скручивания, вызванных солью, исследователи были заинтересованы в том, чтобы выяснить физические механизмы. Доктор Дай указал, что соответствующие механизмы не являются простыми из-за различных взаимодействий в ДНК, таких как водородные связи, укладка оснований и электростатические взаимодействия. Изменение концентрации соли изменяет многие взаимодействия в ДНК. Эти взаимодействия влияют на скручивание ДНК различными путями и делают окончательное изменение скручивания неуловимым.
Доктор Дай и его сотрудники каким-то образом раскрыли дело. Они разработали простую физическую модель, чтобы показать механизм изменения крутки, вызванного солью. «Мы обнаружили, что большее количество соли усиливает экранирование электростатического отталкивания между цепями и, следовательно, уменьшает диаметр ДНК, что в конечном итоге увеличивает скручивание», — добавил доктор Дай.
Кроме того, та же самая физическая модель количественно объясняет изменение скручивания ДНК, вызванное температурой. Основываясь на аналитической формуле физической модели, исследовательская группа рассчитала изменение скручивания ДНК, вызванное изменением температуры, и обнаружила, что оно количественно соответствует результатам эксперимента. Это означает, что два независимых явления, вызванные солью и температурой изменения скручивания ДНК, управляются одним и тем же механизмом.
Их эксперимент подтвердил, что повышение температуры на 1°C вызывает уменьшение скручивания ДНК на 0,01° на пару оснований. «Не упускайте из виду этот «0,01 градус», такое небольшое изменение поворота на пару оснований может накапливаться вдоль длинной ДНК, скажем, в 1 миллион пар оснований, и вызывает вращение на 10 000 градусов примерно за 28 полных оборотов, что приведет к сложному суперспираль», — сказал доктор Дай.
Результаты были опубликованы в академическом журнале Science Advances.
Единый механизм вызванных силой поворотных изменений в ДНК и РНК
Доктор Дай, профессор Чжан, провел еще одно связанное исследование с профессором Тан Чжицзе, который также работает в Уханьском университете. В конце концов, они разгадали загадку, существовавшую много лет: как меняется скручивание ДНК или РНК при растяжении?
«Ответ на этот вопрос продолжает развиваться в течение последних двух десятилетий», — сказал доктор Дай. Ученые ожидали, что растяжение должно уменьшить скручивание ДНК. Однако эксперимент 2006 года выявил противоречивую тенденцию: растяжение увеличивает скручивание ДНК. Позже, в 2014 году, в другом эксперименте было обнаружено, что растяжение уменьшает скручивание РНК, что является противоположной тенденцией по отношению к ДНК. «Это наблюдение очень удивительно, учитывая, что двухцепочечные РНК и ДНК имеют сходную структуру, но оказывают противоположное действие», — сказал доктор Дай.
После тщательного анализа вызванных силой изменений скручивания ДНК и РНК в различных условиях команда обнаружила, что растяжение может как увеличивать, так и уменьшать скручивание как ДНК, так и РНК, что зависит от ситуации с ДНК или РНК. «В основном существует четыре сценария растяжения ДНК и РНК, в то время как в предыдущих исследованиях наблюдались только некоторые из этих четырех», — заключил доктор Дай.
Команда разработала единый механизм для объяснения этих четырех сценариев. Растяжение канонической ДНК и сжатой РНК заставило бы их еще больше скручиваться; с другой стороны, для удлиненной ДНК и канонической РНК растяжение заставит их меньше скручиваться.
Их выводы были опубликованы в академическом журнале Physical Review Letters.
