科学家解决悬而未决的生物学问题

众所周知，两条互补的DNA链之间的吸引力，是由碱基配对介导的，但是，双链DNA分子是否可以直接相互吸引，仍然是一个悬而未决的问题。最近的一项研究对这种现象提供了证据，并表明DNA甲基化和染色体结构之间存在一种有趣的关联。延伸阅读：Nature子刊惊人发现：甲基化控制DNA直接互作；北京大学PNAS解析双链DNA中错配碱基自发翻转的规律。

DNA组织成一个高度有序而紧凑的染色体，该过程是由不同的蛋白质介导的，但有研究表明，在DNA压缩过程中，双链DNA(dsDNA)分子彼此之间也直接相互作用。以前，研究人员认为，同源dsDNA序列之间可能有序列特异性的吸引力。虽然有些实验数据似乎支持这一“同源识别”假说，但是已经不可能排除一种可能性：部分解链的DNA双链会交换链，或蛋白质介导这种吸引力。

现在，在《Nature Communications》杂志上发表的一项研究中，由伊利诺伊大学Aleksei Aksimentiev和约翰霍普金斯大学Taekjip Ha带领的一个研究小组，提供了直接证据表明， dsDNA分子之间的序列依赖性吸引力，不涉及链交换或蛋白质，实际上不需要序列同源性。

研究人员认为，多胺对于dsDNA分子之间的任何吸引力都是必需的，因为这些聚合阳离子是真核细胞生长和增殖所必需的，可以压缩DNA。使用spermine4 +(Sm4 +)——它每个分子有四个带正电的胺基，Aksimentiev和Ha的团队首先进行了分子动力学(MD)模拟，以测量两个dsDNA分子之间相互作用的自由能。他们把分子放置在含有足够Sm4+的溶液中，彼此之间间隔不同的距离，以中和两个DNA分子的电荷。当他们绘制相互作用的自由能的变化(ΔG)作为DNA间距离的一个函数时，在25-30A的距离上观察到了最低ΔG，从而证明这两条DNA双链可以相互吸引。在缺乏聚胺类时，没有观察到最低ΔG。有趣的是，AT富集序列比GC富集序列更能强烈地相互吸引。

为了确认MD成果，该研究团队接下来进行了单分子荧光共振能量转移(smFRET)研究，以检测当存在Sm4+时，120 bp长的DNA双链彼此结合的可能性。等分子量的供体和受体荧光团标记的DNA分子，被封装在固定于一种表面的囊泡中。供体荧光标记的DNA分子与一个受体荧光标记的DNA分子相结合，将两个荧光团结合在一起，从而导致FRET的效率增加。

与MD模拟一致的是，一段AT富集序列比GC富集序列有更高的结合事件。Ha在一份新闻稿中说：“我们高兴的看到，计算预测在我们的实验中得以完全证实。它告诉我们，原子水平的模拟是如何精确，并表明它们可以指导新的研究途径。”

为了排除部分解链的双链之间碱基配对所致的结合的可能性，研究人员制备了一段新的AT富集序列(AT2)，以争夺初始AT富集序列(AT1)的序列。供体标记的AT1序列与非同源受体标记的AT2 dsDNA混合的结合部分，类似于供体标记的AT1序列与同源的受体标记的AT1序列混合的结合部分，从而验证了这种序列同源性并不是结合所必需的。

通过分析MD模拟，研究人员计算出了AT富集序列彼此更大的吸引力（与GC富集序列相比）。对于前者来说，胸腺嘧啶的甲基可阻止Sm4 +与腺嘌呤的 N7氮结合，这是阳离子结合的有利位置。这迫使Sm4 + 从AT富集序列的大沟离开，落到DNA链上，从而让它更好的调整两个DNA双链之间的相互作用。相比之下，胞嘧啶缺乏胸腺嘧啶的甲基，从而导致更多的Sm4 +结合在GC富集的DNA序列的大沟上，而更少结合在DNA链上。

这使得作者作出预测，发生在真核细胞中的胞嘧啶甲基化，作为一种表观遗传调控手段，会对增加Sm4 + 介导的DNA双链吸引力，产生像胸腺嘧啶甲基相同的效果。MD模拟确实证明，具有甲基化胞嘧啶的GC富集序列，可阻止Sm4 +结合到大沟上，从而允许序列本身像AT富集序列那样，强烈地吸引自身。

该研究小组使用具有相同GC含量、但更高比例甲基化CpG位点的GC富集序列，作为初始GC富集序列，通过smFRET实验性地证实了这一预测。这个甲基化GC富集序列有跟AT富集序列相同的结合部分。

这些发现表明，由聚胺介导的dsDNA分子之间的序列依赖性吸引力，可能在高阶DNA组织和基因调控中发挥作用。Aksimentiev说：“例如，一旦你将DNA甲基化后，染色体就变得更加紧凑。它可以防止细胞机器访问DNA。这是一种方式，告诉哪些基因是开启的，哪些基因是关闭的。这可能是‘染色体如何被排列、以及排列机制如何可能影响基因表达’这个更大问题的一部分。”

（生物通：王英）