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拓扑异构酶是广泛存于真核和原核生物细胞内的一类重要的酶，该酶能够催化DNA的断裂和结合而调控DNA的拓扑结构。本项目计划运用磁镊单分子实验设备并结合原子力显微镜和快速反应-停流等设备，对拓扑异构酶改变DNA拓扑结构的动力学过程开展相关研究，分别从单个酶和两个酶结合DNA底物并改变DNA结构的动力学过程，深入探讨拓扑异构酶的分子机理，并且研究酶之间的相互作用对单个酶工作过程的影响。同时，引入拓扑异构酶抑制剂，分析抑制剂药物小分子对拓扑异构酶功能影响的分子机制。本项目通过系统研究单个和两个拓扑异构酶与DNA的相互作用以及药物小分子对这种作用的影响，加深人们对拓扑异构酶工作机制的理解，并且对拓扑异构酶之间的相互作用和影响有一个新的认识。

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。