谢晓亮等研究揭示DNA别构效应

2013-2-17 10:03 来源: 科学网
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  2013年2月15日美国《科学》杂志发表了题为“Probing Allostery through DNA”的研究报告,通过单分子生物物理等手段严谨地证实了DNA中确实存在别构效应。该研究揭示了DNA一个新的基本性质,不但在物理上非常有趣,而且有重要的生理意义。

  该项工作是由美国科学院院士、哈佛大学化学与化学生物学系教授及北京大学长江讲座教授谢晓亮的哈佛大学研究组和北京大学生物动态光学成像中心(BIOPIC)孙育杰/谢晓亮研究组、苏晓东研究组合作完成。

  别构效应广泛存在于蛋白质特别是酶中。别构效应是描述远离活性中心的结合到变构位点的效应因子能够通过蛋白质的长程构象变化来影响蛋白质功能(酶活性)的现象。而作为遗传信息的载体,DNA上有很多特异的蛋白结合位点,这些位点在结合了蛋白分子前后会具有较大的构象变化,那么,DNA是否也像蛋白质那样具有别构效应,即结合在同一条DNA双螺旋链上的两个蛋白分子是否在没有直接接触的情况下可以通过DNA双螺旋的构象变化而影响各自的DNA结合能力?比较合理的预期是DNA应该具有别构效应,然而通过常规方法人们一直没有观测到过这种效应。

  谢晓亮等通过研究,揭示了上述预期的别构效应确实存在于双链DNA中。研究人员在一段DNA双螺旋上设计了两种蛋白分子的结合位点,并且调节其间DNA的长度。通过单分子全内反射荧光显微镜可以观察荧光标记的单个蛋白分子从其DNA结合位点上掉下来的速率,从而测定该蛋白分子对于此位点的相对结合能力。实验表明两个不同的DNA结合蛋白可以影响各自对DNA的结合能力,而且其变化随两个蛋白之间DNA链的长度同时增强或变弱,呈现出一种周期性,这个周期大约是10个碱基对,正好是DNA双螺旋的一个周期,并且这种效应的大小会随着两个蛋白之间的距离增加而衰减。

  研究人员进一步通过各种对照实验及分子动力学模拟计算,确认了这种效应不是其它因素(如蛋白-蛋白相互作用、静电相互作用等)造成的,而是由蛋白质结合到DNA上导致的DNA双螺旋的构象变化即DNA的别构效应引起的。

  DNA别构效应比较大,约有5倍左右,而这种效应因为传统的系宗实验不够精确而一直无法被测得。此外,DNA的别构效应是DNA的一个基本性质,不依赖于蛋白质的性质及种类。由于很多DNA结合蛋白,如转录因子和RNA聚合酶等在DNA上经常结合地较近,并协同行使功能,所以现在需要在理解基因调控的时候考虑这一效应。该项工作会还证明了DNA别构效应的确可以在活细胞内影响基因表达,所以这种效应在生理上是重要的。《科学》杂志在同期述评中也指出,这种通过双螺旋DNA导致的别构效应对于基因调控具有深远意义。