物理所利用單分子螢光技術發現端粒DNA G三聯體多種結構與摺疊路徑

2020-12-04 中國科學院

　　DNA是生物遺傳信息的重要載體，除了經典雙螺旋結構外，在真核生物染色體基因調控序列以及端粒中還廣泛存在一種G四聯體結構。G四聯體結構在調控基因表達和維持基因組穩定性等生物學過程中扮演著重要角色。單分子螢光技術是觀察與測量生物大分子構象變化的重要手段，非常適合觀察G四聯體結構的摺疊過程。中國科學院物理研究所軟物質物理重點實驗室從2002年開始逐步建立起包括單分子螢光、磁鑷以及原子力顯微鏡技術的單分子研究體系，在DNA凝聚（JACS 2006，PRL 2012）、DNA與抗癌藥物作用（NAR 2009, PRE 2015）以及端粒G四聯體DNA的摺疊（JACS 2013, ACS OMEGA 2016, Biosci.Rep.2017）等有關DNA分子結構的課題中進行了系統性的研究，獲得一系列進展。

　　最近，中科院物理所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質實驗室王鵬業研究組的博士生呂襲明，在研究員竇碩星和副研究員李輝的指導下，與西北農林科技大學教授奚緒光合作，通過單分子螢光共振能量轉移技術(smFRET)對端粒G四聯體的重要摺疊中間體——G三聯體的摺疊動力學展開了研究，闡明了G三聯體DNA的兩種結構，解析了兩種結構的摺疊路徑，以及側鏈DNA對其摺疊的影響。G三聯體DNA的平行結構是該研究首次發現的。該工作發表在Journal of Physical Chemistry B 雜誌上，並被選為期刊封面(圖1)。

　　研究人員通過對G-三聯體DNA序列的多個位點進行螢光標記，使用單分子螢光共振能量轉移（smFRET）技術成功區分了G三聯體的平行與反平行結構。在特定的標記方式下，同一種G三聯體DNA序列在摺疊成兩種G三聯體結構（圖2A）時，因為螢光標記位點的距離不同，展現出了能量傳遞效率上的差異（圖2B）。結合圓二色譜技術，研究者發現當G三聯體DNA序列兩端存在單鏈或者雙鏈DNA時，G三聯體的摺疊速度均有明顯降低；當G三聯體DNA序列5』端存在單鏈或者雙鏈DNA時，反平行G三聯體結構的摺疊過程受到一定程度的抑制（圖3）。該研究在此基礎上提出了G三聯體結構的多摺疊路徑模型（圖4）。由於G三聯體結構是G四聯體的重要摺疊中間體，此模型因此也完善了原有G四聯體的摺疊路徑，為研究完整端粒DNA的摺疊過程打下良好基礎，對於理解人類端粒G4 DNA的結構特性及其生物學功能具有重要意義。

　　該工作得到國家自然科學基金、科技部和中科院等的資助。

　　論文連結

 

圖1：該工作發表在Journal of Physical Chemistry B 雜誌上，並被選為期刊封面

    圖2：A為兩種構型的G三聯體DNA在螢光標記下展現出不同的標記位點距離；B為在100 mM K+中，兩種G三聯體DNA因螢光標記位點距離不同而產生能量傳遞效率EFRE的差異，左側柱狀分布圖中橙色高斯峰對應反平行結構G三聯體，而藍色高斯峰對應此次首次發現的平行結構G三聯體。右側EFRET-t曲線反映對應條件下單個G三聯體的摺疊動態。

    圖3：A為TTA單鏈DNA位於G三聯體3』端時，向體系中加入100 mM KCl前後24 h內圓二色譜變化圖；B為TTA單鏈DNA位於G三聯體5』端時，向體系中加入100 mM KCl前後24 h內圓二色譜變化圖，對比A圖290 nm處反平行結構G三聯體特徵峰降低，說明此條件下側鏈對該結構摺疊過程有抑制作用。

圖4：基於首次在單分子層面發現的平行結構G三聯體DNA，研究者提出的G三聯體DNA多摺疊路徑模型

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