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《Physical Review Letters》发表武汉大学张兴华-谭志杰合作论文,揭示核酸与离子相互作用新机制
时间:2020-05-15 11:26:48 阅读量:

  2020年2月7日,武大生科院张兴华与物理院谭志杰合作,在Physical Review Letters(IF= 9.227)上发表了一项关于核酸与离子相互作用的研究成果,揭示了DNA容易凝聚而RNA难以凝聚的机制。论文题为“Opposite Effects of High-Valent Cations on the Elasticities of DNA and RNA Duplexes Revealed by Magnetic Tweezers”。

  DNA和RNA可以形成非常相似双螺旋结构,但是其性质又有微妙的差别,导致DNA而不是RNA在进化中被选择成为主要的遗传物质载体。DNA分子是“狭长”的高聚物分子,带有大量负电,带有负电荷的DNA链之间会产生强大的排斥力而难于被压缩。在体内,DNA可在高价阳离子蛋白的帮助下压缩。在细胞内通过核小体-染色质-染色体高级结构等被高度压缩4-5个数量级储存在细胞核中。特别是在精子细胞中,DNA会被凝聚成为致密的螺旋管(toroid)结构。虽然RNA双链与DNA双链有着非常类似的结构和性质,然而RNA双链很难在高价阳离子的帮助下压缩凝聚。

  该论文的作者通过单分子磁镊实验和分子动力学模拟发现,高价阳离子倾向结合在RNA的大沟内,使得大沟变窄而夹紧高价阳离子,从而导致RNA变硬而难以凝聚。高价阳离子倾向结合在DNA的负电磷酸骨架,中和了DNA的负电性而降低了DNA链间排斥,从而导致DNA软而容易凝聚。不同的离子结合方式,是高价阳离子对DNA和RNA产生相反影响的原因。

  该论文的共同第一作者为武大生科院博士生杨亚军与武大物理院的博士生强晓伟,通讯作者为武大生科院张兴华老师与武大物理院谭志杰老师。武大单分子公众号全文链接 https://mp.weixin.qq.com/s/EcUdPE-YAOdslMev9-rcnw

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  此外,2019年1月22日,武大生科院张兴华团队在Biophysical Journal发表了关于RNA-DNA杂合双链(RDH)的研究论文,该文题为”The Mechanical Properties of RNA-DNA Hybrid Duplex Stretched by Magnetic Tweezers”,被选为Biophysical Journal 杂志的2019年最佳论文。

  正常转录中,随着转录泡前进,新生的RNA会被重新形成的DNA双链挤出。如果RNA分子不能被挤出(如遇到富含G、三碱基重复等序列),将形成由RDH双链和单链DNA构成的R-loop。R-loop会影响基因组完整性,也能调控基因的表达。RNA酶H、解旋酶等可以降低R环的对基因组稳定性的不利影响。大约59%的人类基因包含RDH形成序列,而RDH占哺乳动物基因组中的比例可达到5%。RDH的形成会引起DNA损伤和基因组不稳定,这与一些癌症的发生相关,并且40多种神经-肌肉退行性疾病的发生有关。比如,我们熟知的渐冻人症和亨廷顿舞蹈症等。