PNAS：疏水力使得DNA结构稳定
来源：本站原创 2019-09-25 03:10
2019年9月24日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，来自瑞典查尔默斯理工大学的研究人员提出了关于DNA组装机制的新理论。此前的主流理论认为，氢键是将两条DNA链结合在一起的关键，而这一新的研究表明水分子才是其中的关键。这一发现为医学和生命科学研究领域的提供了新的认知。相关结果表在《PNAS》杂志上。
DNA分子包括两条链，由糖分子和磷酸基团组成。连接这两条链是氮碱基，它们之间具有氢键相互作用。目前们普遍认为氢键是将两条链结合在一起的原因。氢键的作用以前被认为对于将DNA螺旋保持在一起至关重要，但其作用似乎与碱基对的排序有关。
（图片来源：Www.pixabay.com）
但是现在，查尔默斯理工大学的研究人员表明，DNA维持螺旋结构的秘密可能在于其外部环境中主要由水组成，而分子内部具有疏水性。因此，环境是亲水的，而DNA分子的氮碱基是疏水的。当疏水单元处于亲水环境中时，它们会聚在一起，以最大程度地减少其与水的接触。
这一发现对于理解DNA与环境之间的关系至关重要。该研究的主要工作人员之一bobo feng说：“我们认为，细胞希望保护其DNA免于暴露在含有有害分子的疏水环境中。但是与此同时，细胞的DNA需要充分打开才能被利用。”
“我们相信细胞大多数时候会将其DNA保留在水溶液中，但是一旦细胞想要对其DNA进行处理（例如读取，复制或修复时），就会将DNA暴露于疏水环境中。”
了解这一过程可能会为我们提供许多新见解。例如，细菌使用一种称为RecA的蛋白质来修复其DNA，研究人员认为，他们的研究结果可以提供阻止该过程并杀死细菌的方法。此外，在人类细胞中，Rad51蛋白可修复DNA并修复突变的DNA序列，否则可能导致癌症的发生。“了解癌症，我们需要了解DNA的修复方式。要了解这一点，我们首先需要了解DNA本身，” Bobo Feng说：“现在我们已经证明，疏水力是DNA保持结构的关键。我们还表明，DNA在疏水环境中的行为完全不同。这可以帮助我们了解DNA及其修复方法。（生物谷Bioon.com）
资讯出处： DNA is held together by hydrophobic forces
原始出处： Bobo Feng, Robert P. Sosa, Anna K. F. Mårtensson, Kai Jiang, Alex Tong, Kevin D. Dorfman, Masayuki Takahashi, Per Lincoln, Carlos J. Bustamante, Fredrik Westerlund, Bengt Nordén. Hydrophobic catalysis and a potential biological role of DNA unstacking induced by environment effects. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 116 (35): 17169 DOI: 10.1073/pnas.1909122116
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一种被忽视的神秘力量，是维持DNA结构的关键？
原理
2019-09-25
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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。”