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DNA的动态特性使其非常适合作为生活蓝图

2019-01-17 11:35:54 • 来源：

一项新的研究可以解释为什么DNA而不是其较老的化学表亲RNA是遗传信息的主要储存库。DNA双螺旋是一种更宽容的分子，可以将自身扭曲成不同的形状，以吸收遗传密码的基本构件--A，G，C和T-的化学损伤。相反，当RNA呈双螺旋形式时，它是如此坚硬和不屈不挠，而不是容纳受损的碱基，它完全分崩离析。

DNA的动态特性使其非常适合作为生活蓝图

这项研究于2016年8月1日发表在“ 自然结构与分子生物学 ”杂志上，强调了DNA 双螺旋的动态特性，这对于维持基因组的稳定性和抵御癌症和衰老等疾病至关重要。这一发现很可能会重写教科书对遗传信息，DNA和RNA 两个传播者之间差异的报道。

“这些简单漂亮的结构中存在着惊人的复杂性，我们已经蒙蔽了它们的全新层次或尺寸，因为到目前为止我们还没有看到它们的工具，”Hashim M. Al-Hashimi博士说。 D.，该研究的高级作者和杜克大学医学院的生物化学教授。

DNA着名的双螺旋通常被描绘成螺旋形楼梯，两条长链彼此扭曲，步骤由四个称为碱基的化学构建块组成。这些碱中的每一个都含有碳环，以及氮，氧和氢的各种构型。这些原子的排列允许G与C和A配对以与T配对，就像优雅机器中的互锁齿轮一样。

当Watson和Crick在1953年发表他们的DNA双螺旋模型时，他们确切地预测了这些对将如何组合在一起。然而，其他研究人员努力提供这些所谓的Watson-Crick 碱基对的证据。然后在1959年，一位名叫Karst Hoogsteen的生物化学家拍摄了一张AT基座对，其几何形状略微偏斜，一个基座相对于另一个基座旋转180度。从那以后，在静止的DNA图像中观察到了Watson-Crick和Hoogsteen碱基对。

五年前，Al-Hashimi和他的团队表明，碱基对不断在Watson-Crick和DNA双螺旋中的Hoogsteen配置之间来回变换。Al-Hashimi说，当DNA被蛋白质结合或被化学损伤破坏时，Hoogsteen碱基对通常会出现。当DNA从蛋白质中释放出来或修复了对其碱基的损害时，DNA会回到更直接的配对状态。

“DNA似乎使用这些Hoogsteen碱基对为其结构增加了另一个维度，变形为不同的形状，以在细胞内实现额外的功能，”Al-Hashimi说。

Al-Hashimi和他的团队想知道当RNA(DNA和蛋白质之间的中间人)形成双螺旋时，是否也会发生同样的现象。因为碱基配对的这些变化涉及分子在原子水平上的运动，所以它们难以通过常规方法检测。因此，Al-Hashimi的研究生Huiqing Zhou使用了一种称为NMR弛豫分散的复杂成像技术来观察这些微小的变化。首先，她设计了两个模型双螺旋 - 一个由DNA制成，一个由RNA制成。然后，她使用核磁共振技术跟踪构成螺旋步骤的单个G和A碱基的翻转，根据Watson-Crick或Hoogsteen规则配对。

先前的研究表明，在任何给定时间，DNA双螺旋中1%的碱基变成Hoogsteen碱基对。但当周看着相应的RNA双螺旋时，她发现绝对没有可检测到的运动; 碱基对全部冻结到位，卡在Watson-Crick配置中。

研究人员想知道他们的RNA模型是否是一个不寻常的异常或异常，所以他们设计了各种各样的RNA分子并在各种条件下进行了测试，但仍然没有出现扭曲到Hoogsteen配置。他们担心RNA实际上可能正在形成Hoogsteen碱基对，但它们发生的速度非常快，以至于它们无法捕获它们。周将一种称为甲基的化学物质添加到碱基上的特定位点以阻断Watson-Crick碱基配对，因此RNA将被困在Hoogsteen配置中。她惊讶地发现，不是通过Hoogsteen碱基对连接，两条RNA在损伤部位附近分开。

“在DNA中，这种修饰是一种损伤形式，它很容易通过翻转碱基形成Hoogsteen碱基对而被吸收。相反，同样的修饰会严重破坏RNA 的双螺旋结构，”周说，他是领导者该研究的作者。

该团队认为RNA不会形成Hoogsteen碱基对，因为它的双螺旋结构(称为A型)比DNA(B型)结构更加压缩。结果，RNA不能翻转一个碱基而不会碰到另一个碱基，或者没有在原子周围移动，这会撕裂螺旋。“对于像双螺旋这样基本的东西，我们在游戏中发现这些基本属性真是太神奇了，”Al-Hashimi说。“我们需要继续放大，以便更深入地了解这些基本的生命分子。”

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