拥挤环境中DNA的构象变化和变性行为

遗传物质DNA在胞内发挥其生物功能时与其构象变化和变性行为相关，拥挤环境可以显著改变生物大分子的生物活性，其高度的缓冲性保证了胞内反应的稳定进行及细胞功能的正常行使。本项目采用实验及理论计算相结合的手段研究不同拥挤条件下DNA的变性特点、构象转换的临界条件及弹性行为;系统研究拥挤环境中离子强度、pH等生理因素及有外场参与对DNA变性、结构及弹性的影响，探索拥挤环境中DNA变性及构型转变的机制；建立DNA变性过程的分子热力学模型和较精确预测DNA变性温度及变性曲线的理论；了解变性特点与弹性行为的关系；此项目的完成不仅能为分子生物学、遗传学、医学等提供必要的基础数据和理论指导,而且对大分子拥挤规律性的认识以及理解与探究生物大分子在生命活动中的作用具有重要的意义。

遗传物质DNA在胞内发挥其生物功能时与其构象变化和变性行为相关，拥挤环境可以显著改变生物大分子的生物活性，其高度的缓冲性保证了胞内反应的稳定进行及细胞功能的正常行使。生物大分子是在细胞内的拥挤环境演变、发挥功能的, 对拥挤环境中生物大分子结构、性质等行为的研究，对于加深对生物体功能及生命现象本质的认识具有重要的理论意义和医学实用价值。. 我们采用多种实验手段多方位检测了不同拥挤环境，包括拥挤试剂种类、浓度及分子自身的刚柔性等对DNA变性行为的影响、变性过程中DNA构象的变化；检测了拥挤环境中DNA自身性质、离子强度、盐等生理因素对DNA变性、构象转变的影响，探索了DNA变性及构型转变的机制。研究表明，拥挤环境中DNA变性行为受下列因素共同影响：I.拥挤试剂分子占据体系自由空间的大小；II.DNA分子与拥挤试剂分子间相互作用的强弱；III.DNA与拥挤试剂分子的结合方式。因素I主要是拥挤试剂分子通过限制DNA分子的活动空间改变DNA的构型熵，进而影响DNA的变性行为；因素II则是拥挤试剂分子通过与DNA的相互作用，包括静电相互作用、疏水相互作用以及氢键等，影响双链DNA上的磷酸基团间的静电排斥作用、相邻碱基间的碱基堆积作用和互补碱基对间的氢键作用，破坏或利于双螺旋结构的稳定；因素III则是指拥挤试剂分子是采取“包裹”方式直接保护DNA分子，还是采取“插入”方式破坏DNA分子结构。在此基础上详细研究了DNA与拥挤试剂（表面活性剂）间的相互作用及作用机制。 . 提出了一种反应分子热力学模型对DNA体相变性现象进行了研究，通过自由能极小原理计算出DNA 的变性温度和变性曲线。利用该模型，我们对不同链长不同CG 分数的DNA 分子在不同离子强度溶液以及拥挤环境中的变性现象进行了研究，得到了与实验、模拟相符的结果。提出了一种可以预测受限空间中DNA 分子变性现象的理论。该理论综合了普通的密度泛函理论和反应分子热力学，适用于包括DNA 变性等生物化学反应在内的各种化学反应。将该理论用于预测DNA 分子在狭缝空间中的变性现象，讨论了DNA 在排斥型狭缝、吸引型狭缝及带电型狭缝中的变性曲线、变性温度以及平衡时的密度分布等信息。发展了显示溶剂分子热力学模型用于考察拥挤效应对DNA变性行为的影响，预测结果与实验数据吻合良好。这些研究为深入认知拥挤现象的本质提供了理论依据。