双链DNA解链研究
DNA的弹性力学性质在许多重要的生物学功能如DNA的复制、基因的表达及DNA与蛋白质的相互作用起着关键性作用。在DNA的复制过程中，由解螺旋酶(helicase enzyme)在复制起点双向打开螺旋，形成复制叉(replication fork)，再由DNA结合蛋白与单链结合并向前推进，这样一条双链的DNA就解开成两条单链，进而由DNA聚合酶分别以两条单链为模板通过碱基互补原则合成两条与原双链DNA一样序列的双链DNA。DNA转录是通过RNA聚合酶识别DNA模板上的启动子解开双链，并以一条单链为模板合成信使RNA。
研究DNA的弹性力学性质不仅有助于研究其生物学功能，还可以开拓物理学新的研究领域。近十年来，单分子操纵技术得到迅猛发展。随着单分子DNA拉伸、解链、扭曲以及DNA与蛋白质相互作用等实验的开展，单分子DNA独特的弹性力学性质逐步展现在人们的面前。但是，目前开展的实验大多数集中在DNA轴向弹性和扭曲的测量，得到的信息仍是DNA轴向成千上万个碱基对的平均值。最近德国慕尼黑大学的Krautbauer等人基于原子力显微镜测量了短片断的DNA的解链力曲线，给出纳米量级的DNA解链力图谱，将DNA解链分辨率提高到单个碱基水平。这项实验工作给理论工作提供了新的机遇，它要求理论工作能够理解更局域，包括碱基水平DNA分子的动力学机制。几十年以来已经发展了许多模型来研究DNA的弹性，主要分为三类：统计模型、原子尺度的模型和碱基水平的模型。而碱基水平离散的DNA弹性模型则是统计模型和原子尺度模型之间连接的桥梁。
本文首先详细介绍了本组在双链DNA弹性性质的研究方面进行的前期工作。雷晓玲博士在2005年建立了一套碱基水平DNA离散化弹性模型。这是在周海军、张扬和欧阳钟灿等提出的梯子模型基础上建立起来的。通过分析双链DNA的结构特点，考虑维持双链。DNA结构稳定性的糖.磷酸骨架的弹性作用，单链的弯曲能量，配对碱基间的氢键相互作用，以及相邻碱基对间的碱基堆积相互作用建立了一套碱基水平DNA离散化弹性模型。并利用此模型进行了DNA拉伸的模拟，所得力随相对拉伸的曲线与实验结果符合很好。研究结果表明DNA碱基对一个一个相继打开形成DNA拉伸曲线的B-到S-DNA转变平台。
基于本文作者的碱基水平DNA离散化弹性模型，本文将原对称的DNA模型改进为更接近B—DNA真实结构的非对称构型，并充实细化了碱基堆积相互作用。详细分析了双链DNA解链过程。模拟结果发现在DNA解链起始，即解开第一个碱基对的时候存在一个高达270皮牛的峰值，然后是在15皮牛左右振荡的平台。研究发现配对碱基之间的氢键作用控制着解链力平台的大小；径向碱基堆积作用是产生解链初始峰值的主要原因；对于一段特定DNA序列。考虑到碱基种类以及相邻碱基对排列类型的不同，发现序列上的任意一个碱基的改变，都会在对应的DNA懈链力图谱上反映出来，因此DNA解链力图谱可以作为识别其身份的“指纹”。对于一段dA-dT。与dC-dG相间排列的序列，模拟结果与实验也能符合很好。
通过利用该模型进行DNA拉伸和径向压弹性的模拟，本文作者考察了现有模型的兼容性以及扩展性。发现它既能重复原对称模型的拉伸，又能与DNA径向压弹性的实验结果相符合。更进一步的工作将是利用该模型进行双链DNA扭转的模拟，进而使它成为一套完善的DNA弹性理论模型。
- 作者：
- 王晓峰
- 学位授予单位：
- 中国科学院上海应用物理研究所
- 专业名称：
- 粒子物理与原子核物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2008年
- 导师姓名：
- 方海平
- 中图分类号：
- Q783.2
- 关键词：
- 双链DNA解链；弹性力学；DNA模型；生物学功能；RNA聚合酶
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