一种被忽视的神秘力量,是维持DNA结构的关键?

来源 | 原理(ID:principia1687)

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DNA是让生物遗传性能相对稳定维持的重要存在,它携带有合成RNA、蛋白质所必须的遗传信息。上世纪50年代,科学家首次确认了DNA的双螺旋结构,这是20世纪生物科学领域中最伟大的发现之一。DNA由两条以脱氧核糖分子和磷酸基组成的链构成的聚合分子,在两条链之间存在着含氮碱基,碱基对之间存在着氢键
对DNA来说,双螺旋结构的稳固是他能够安全地储存遗传信息的先决条件。一直以来,科学家都在研究它的各个部分究竟是如何组合在一起的。关于DNA是如何将两条链结合在一起的一种主流观点是,氢键是主要用于稳定双螺旋结构的力量
然而一项新的研究表明,将DNA的双螺旋结构维系在一起的可能是另一种力量。这项推翻了主流理论的研究认为,虽然氢键会在一定程度上维系DNA的双螺旋结构,但它更主要的作用似乎是对碱基对的排序,使碱基对能以正确的顺序连接在一起,而维系这种结构的一个关键所在是疏水力DNA分子的内部可能具有疏水性,而它们所在的环境主要由水构成,因此DNA中的疏水含氮碱基会推开周围的水
这一研究结果被发表在了《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,它对于理解DNA与其环境的关系至关重要,也为理解医学和生命科学研究打开了新的大门。

 当DNA要进行读取、复制或修复过程时,它必须先将双螺旋链打开,这是当细胞用催化蛋白在分子周围创造疏水环境时会出现的情况。| 图片来源:Yen Strandqvist
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DNA分子中的疏水性相互作用并不是一个全新的概念,早在1997年就有科学家质疑单靠氢键就能使DNA双螺旋结构的两条链维持在一起的观点。到了2004年,有研究发现氢键对碱基对的稳定性似乎并不那么不可或缺。2017年,一项研究表明,氢键的缺席并不会真的对细胞造成困扰,只要有疏水性作用力的存在,使用合成的碱基对也能让DNA成功地进行转录和翻译。
Bobo Feng是这次新论文的第一作者,他说:“细胞想要保护它们的DNA,而不是将其暴露在有可能含有有害分子的疏水环境中。”但与此同时,细胞的DNA需要打开才能使用,因此在大部分的时间内,细胞都会将DNA在水溶液中保护起来,但一旦需要用DNA来进行读取、复制或修复任务时,细胞就会将它暴露在疏水环境中。
例如在复制过程中,DNA分子中的氢键会在几种酶的作用下断开,然后解开螺旋的两条链就会各自进行复制以产生新的DNA。然而事实证明,这并不是破坏双螺旋稳定结构的唯一途径。在新的实验中,研究人员发现在比正常环境更疏水的环境中,疏水性就足以独自解开双螺旋。
换句话说,由于DNA的含氮碱基本身就是疏水的,因此在正常的水溶液(亲水环境)中,这些碱基会聚集在一起,以尽量减少暴露在水中。他们使用疏水溶液聚乙二醇,一步一步地将DNA的环境从自然亲水改变为疏水环境,目的是想要发现是否存在一个让DNA开始丧失其结构的极限,当环境不再亲水时,DNA便不再具有结合的理由。研究人员观测到,当溶液达到亲水和疏水的边界时,DNA分子特有的螺旋状结构开始瓦解。
经过更仔细的观察,他们发现当碱基对在外部影响,或者一些随机运动的影响下彼此分开时,结构中就会有可以让水流进去的小孔形成。因为DNA想要保持其内部的干燥,所以它会挤压在一起,让碱基对再次聚集在一起将水挤出。在疏水环境中,这些水是缺失的,所以这些洞还会留在原地。
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当需要修复受损的DNA时,受损区域会受疏水环境的影响,需要被替换。催化蛋白可以创造出疏水的环境,它也是所有DNA修复过程的核心所在,这意味着它可能是对抗许多严重疾病的关键。理解这些蛋白质的作用有助于为我们在对抗抗药菌,或者治愈癌症方面获得更多新的见解。
比如研究人员知道,细菌会利用一种名为RecA的蛋白质来修复它们的DNA,而新的研究结果或许能够通过更好地理解细菌修复DNA的工作原理,发展出可以阻止这一修复过程的方法,从而彻底将细菌杀死。
在人类细胞中,有一种名为Rad51的蛋白质可以修复可以修复DNA,并修复可能会导致癌症的变异DNA序列。Bobo Feng说:“要了解癌症,我们必须要了解DNA是如何修复自身的。到目前为止,我们还没有真的了解这个问题,因为我们一直以为是氢键将DNA结合在一起的。现在,我们已经证明了在背后发挥作用的其实是它的疏水性。我们还证明了DNA在疏水环境中的行为完全不同。这有助于我们了解DNA以及它是如何修复的。在此之前还没有人将DNA置于这样的疏水环境中并研究它们的行为,所以到目前为止都没人发现这一点也就不足为奇了。”
参考链接:
[1] https://www.chalmers.se/en/departments/chem/news/Pages/DNA-held-together.aspx
[2] https://www.pnas.org/content/116/35/17169
[3] https://www.sciencealert.com/scientists-discover-a-new-way-to-open-up-dna-s-double-helix-for-replication-and-repair

本文转载自公众号“原理”(ID:principle1687

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