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Nature子刊解决悬而未决的生物学问题

来源/作者:alax   发表时间:2016-04-14 15:31:14  
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  众所周知,两条互补的DNA链之间的吸引力,是由碱基配对介导的,但是,双链DNA分子是否可以直接相互吸引,仍然是一个悬而未决的问题。最近的一项研究对这种现象提供了证据,并表明DNA甲基化和染色体结构之间存在一种有趣的关联。

 

众所周知,两条互补的DNA链之间的吸引力,是由碱基配对介导的,但是,双链DNA分子是否可以直接相互吸引,仍然是一个悬而未决的问题。最近的一项研究对这种现象提供了证据,并表明DNA甲基化和染色体结构之间存在一种有趣的关联。延伸阅读:Nature子刊惊人发现:甲基化控制DNA直接互作;北京大学PNAS解析双链DNA中错配碱基自发翻转的规律。

DNA组织成一个高度有序而紧凑的染色体,该过程是由不同的蛋白质介导的,但有研究表明,在DNA压缩过程中,双链DNA(dsDNA)分子彼此之间也直接相互作用。以前,研究人员认为,同源dsDNA序列之间可能有序列特异性的吸引力。虽然有些实验数据似乎支持这一“同源识别”假说,但是已经不可能排除一种可能性:部分解链的DNA双链会交换链,或蛋白质介导这种吸引力。

现在,在《Nature Communications》杂志上发表的一项研究中,由伊利诺伊大学Aleksei Aksimentiev和约翰霍普金斯大学Taekjip Ha带领的一个研究小组,提供了直接证据表明, dsDNA分子之间的序列依赖性吸引力,不涉及链交换或蛋白质,实际上不需要序列同源性。

研究人员认为,多胺对于dsDNA分子之间的任何吸引力都是必需的,因为这些聚合阳离子是真核细胞生长和增殖所必需的,可以压缩DNA。使用spermine4 +(Sm4 +)——它每个分子有四个带正电的胺基,Aksimentiev和Ha的团队首先进行了分子动力学(MD)模拟,以测量两个dsDNA分子之间相互作用的自由能。他们把分子放置在含有足够Sm4+的溶液中,彼此之间间隔不同的距离,以中和两个DNA分子的电荷。当他们绘制相互作用的自由能的变化(ΔG)作为DNA间距离的一个函数时,在25-30A的距离上观察到了最低ΔG,从而证明这两条DNA双链可以相互吸引。在缺乏聚胺类时,没有观察到最低ΔG。有趣的是,AT富集序列比GC富集序列更能强烈地相互吸引。

为了确认MD成果,该研究团队接下来进行了单分子荧光共振能量转移(smFRET)研究,以检测当存在Sm4+时,120 bp长的DNA双链彼此结合的可能性。等分子量的供体和受体荧光团标记的DNA分子,被封装在固定于一种表面的囊泡中。供体荧光标记的DNA分子与一个受体荧光标记的DNA分子相结合,将两个荧光团结合在一起,从而导致FRET的效率增加。

与MD模拟一致的是,一段AT富集序列比GC富集序列有更高的结合事件。Ha在一份新闻稿中说:“我们高兴的看到,计算预测在我们的实验中得以完全证实。它告诉我们,原子水平的模拟是如何精确,并表明它们可以指导新的研究途径。”

为了排除部分解链的双链之间碱基配对所致的结合的可能性,研究人员制备了一段新的AT富集序列(AT2),以争夺初始AT富集序列(AT1)的序列。供体标记的AT1序列与非同源受体标记的AT2 dsDNA混合的结合部分,类似于供体标记的AT1序列与同源的受体标记的AT1序列混合的结合部分,从而验证了这种序列同源性并不是结合所必需的。

通过分析MD模拟,研究人员计算出了AT富集序列彼此更大的吸引力(与GC富集序列相比)。对于前者来说,胸腺嘧啶的甲基可阻止Sm4 +与腺嘌呤的 N7氮结合,这是阳离子结合的有利位置。这迫使Sm4 + 从AT富集序列的大沟离开,落到DNA链上,从而让它更好的调整两个DNA双链之间的相互作用。相比之下,胞嘧啶缺乏胸腺嘧啶的甲基,从而导致更多的Sm4 +结合在GC富集的DNA序列的大沟上,而更少结合在DNA链上。

这使得作者作出预测,发生在真核细胞中的胞嘧啶甲基化,作为一种表观遗传调控手段,会对增加Sm4 + 介导的DNA双链吸引力,产生像胸腺嘧啶甲基相同的效果。MD模拟确实证明,具有甲基化胞嘧啶的GC富集序列,可阻止Sm4 +结合到大沟上,从而允许序列本身像AT富集序列那样,强烈地吸引自身。

该研究小组使用具有相同GC含量、但更高比例甲基化CpG位点的GC富集序列,作为初始GC富集序列,通过smFRET实验性地证实了这一预测。这个甲基化GC富集序列有跟AT富集序列相同的结合部分。

这些发现表明,由聚胺介导的dsDNA分子之间的序列依赖性吸引力,可能在高阶DNA组织和基因调控中发挥作用。Aksimentiev说:“例如,一旦你将DNA甲基化后,染色体就变得更加紧凑。它可以防止细胞机器访问DNA。这是一种方式,告诉哪些基因是开启的,哪些基因是关闭的。这可能是‘染色体如何被排列、以及排列机制如何可能影响基因表达’这个更大问题的一部分。”

推荐原文摘要:
Direct evidence for sequence-dependent attraction between double-stranded DNA controlled by methylation.
Abstract: Although proteins mediate highly ordered DNA organization in vivo, theoretical studies suggest that homologous DNA duplexes can preferentially associate with one another even in the absence of proteins. Here we combine molecular dynamics simulations with single-molecule fluorescence resonance energy transfer experiments to examine the interactions between duplex DNA in the presence of spermine, a biological polycation. We find that AT-rich DNA duplexes associate more strongly than GC-rich duplexes, regardless of the sequence homology. Methyl groups of thymine acts as a steric block, relocating spermine from major grooves to interhelical regions, thereby increasing DNA-DNA attraction. Indeed, methylation of cytosines makes attraction between GC-rich DNA as strong as that between AT-rich DNA. Recent genome-wide chromosome organization studies showed that remote contact frequencies are higher for AT-rich and methylated DNA, suggesting that direct DNA-DNA interactions that we report here may play a role in the chromosome organization and gene regulation.

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