用磁镊单分子技术研究DNA与拓扑异构酶相互作用的机理

DNA的拓扑结构在生命的过程中起到至关重要的作用，本项目的开展主要利用磁镊单分子设备，对DNA的拓扑结构的变化动力学进行定量的跟踪分析，在此基础上开展DNA的拓扑异构酶的工作机制的探索。首先，我们系统的研究了DNA特殊的面包圈的拓扑结构。利用磁镊，我们对扭力受限的DNA的凝聚成面包圈的动力学进行了跟踪，实验表明，DNA分子凝聚到一定阶段后，就会到达一个平衡态。理论上，我们发展了Kulic的模型，定量计算了DNA的扭力对DNA凝聚的影响，相关结果表明扭力能够调节系统自发寻找到平衡态，并从理论上预测了平衡的具体位置，这些结果和实验结果相符合。在此基础上，为了展示DNA形成面包圈结构的具体过程，我们构建了可以同时连接两个微球的DNA样品，通过同时跟踪DNA长度和转动的变化，反应出DNA面包圈结构形成的复杂的过程，通过粗粒化的布朗动力学模拟了DNA面包圈结构形成的动力学过程，揭示了DNA面包圈形成的复杂和细致的拓扑结构。G四联体DNA是另外一种重要的DNA结构，G四联体主要存在于染色体端粒中，在调节基因表达和维持基因稳定等生物过程中扮演着重要的角色。利用磁镊单分子设备研究了G四联体在外力作用下的折叠和去折叠的动力学，观察到了G四联体的中间态G三联体。这个工作第一次清晰的表明G三联体是G四联体折叠路径中必然经历的中间态，结束了人们关于G四联体折叠路径的争议。这些工作，为我们研究DNA拓扑异构酶的工作机制打下了坚实的基础。