首张 DNA 图像结合确认 20 年预后

如果你能观察细胞核的内部，你会在一个极其狭小的空间中发现DNA。

但这种排列带来了一个问题：DNA 分子带有负电荷，因此它们会相互排斥。他们怎么可以这么近？

英国谢菲尔德大学和约克大学的研究人员发现了一个令人惊讶的事实。两个 DNA 双螺旋并排排列，它们的凹槽像拉链的齿一样排列。

这一进展为科学家们提供了 20 多年前提出的安排的直接结构证据。结合计算机模拟，它还展示了带正电的离子如何形成将相邻 DNA 分子连接在一起的桥梁。

这为DNA如何在细胞内包装以及在遗传物质交换之前相应区域如何关联提供了一种机制。它在活细胞中的作用仍有待确定。

检查的每个分子已经是由两条相互缠绕的链组成的双螺旋。研究小组研究了他们两人的互动方式。

研究人员使用高分辨率原子力显微镜绘制了液体中分子的表面图。所得图像解析了围绕 DNA 的主要凹槽和次要凹槽，并揭示了紧密耦合状态。

使用镍离子获得了解析各个凹槽的图像，这提供了最佳的空间分辨率。大视野的显微扫描还检查了镁和钙的耦合，而模拟则探讨了它们对凹槽耦合的影响。

为了演示电影中 DNA 的逐渐组装，模拟研究了观察到的结构背后的运动。

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谢菲尔德生物物理学家爱丽丝·派恩 (Alice Pine) 告诉 ScienceAlert：“显微图像是静态拍摄的，这使我们能够达到可以观察和测量每个分子的单个小凹槽和大凹槽的分辨率。”

这个细节很重要，因为仅仅看到两个分子接触并不能揭示它们的凹槽是否如所提出的拉链模型所预测的那样。

约克生物物理学家 Agnes Neu 告诉 ScienceAlert：“两个 DNA 双链体的连接方式在 20 多年前就被假设出来了。”

“这些图像代表了这个想法的现实的第一次可视化。”

下一个问题是什么可以将带负电的分子结合在一起。

“离子有助于在两个分子之间形成盐桥，将它们固定在一起，”派恩说。

在跟踪单个原子的模拟中，带有两个正电荷的离子会结合相邻的自旋。当它们的小凹槽重叠时，就会形成一些最强的键，从而使离子能够穿过间隙与两个分子相互作用。

DNA 序列也影响了这些关系。

“模拟显示，有特定的序列优先形成这些桥，将两个分子连接在一起，然后让分子聚集在一起，”派恩告诉 ScienceAlert。

对于镍离子，特别稳定的相互作用与称为 GTAC 的短 DNA 序列有关。在模拟中，镁和钙也稳定了相容对，尽管离子类型之间的桥网络不同。

这表明序列有助于形成键以及键的稳定性。

“此外，我们发现这种 DNA 拉链是序列依赖性的，因此基因组可以找到特别容易交配的热点，”Noy 说。

了解这种偏好可以解释 DNA 的相应区域如何连接，这是基因重组的必要步骤。这项新研究为研究这种识别提供了一个分子框架，而不是展示细胞内的整个过程。

事实上，显微镜揭示了几种交配排列。其中大多数与匹配整个相互作用区域的完美匹配序列不匹配。

研究人员认为，最初的依恋和长期的交配可能涉及不同的步骤。离子桥可以进行局部接触，而相应的序列有助于维持协调并允许配对沿着螺旋传播得更远。

所以，两个分子接触并不一定意味着它们找到了合适的伴侣。

实验在受控实验室条件下使用纯化的 DNA。在细胞内部，蛋白质和其他分子也有助于组织遗传物质，包括将其包裹在组蛋白周围形成称为核小体的结构。

“这些实验向我们展示了单分子在实验室环境中的行为，”派恩告诉 ScienceAlert。

他说，这些发现可以帮助研究人员了解核小体包装之外的 DNA 包装，包括带强负电荷的分子如何紧密地包装在一起。

诺伊说，需要进一步研究来调查这些发现与癌症之间可能存在的联系。

该研究没有确定这种相互作用是否会导致癌症，也没有确定同一基因组中热点的配对。下一步是识别定义这些热点的序列并将它们定位在基因组中。

现在，研究人员已经从拟议的设计转向对齐螺旋的详细图像，并通过模拟显示离子如何将它们固定在一起。

这为他们提供了在更复杂的细胞环境中进行测试的特定机制。

该研究发表于 核酸研究。