最近，美國貝勒醫(yī)學(xué)院的研究人員，使用一種多學(xué)科的方法，以前所未有的細(xì)節(jié)，揭示了超螺旋DNA的三維結(jié)構(gòu)影像圖，從而發(fā)現(xiàn)它的形狀比著名的雙螺旋更加動態(tài)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近的《Nature Communications》。

分子病毒學(xué)和微生物學(xué)系的Lynn Zechiedrich教授和美國科學(xué)院院士、生物化學(xué)和分子生物學(xué)系的Wah Chiu教授，是本文的共同通訊作者，Lynn Zechiedrich教授說：“我們都知道和喜歡的美麗雙螺旋結(jié)構(gòu)，并不是DNA的實際活動形式。”

Chiu和Zechiedrich，與貝勒醫(yī)學(xué)院的Steven Ludtke和Michael Schmid博士、英國利茲大學(xué)的Sarah A. Harris博士合作，用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機建模，研究微小的DNA微環(huán)（現(xiàn)在被稱為“MiniVectors”，由該研究團(tuán)隊命名，并且已經(jīng)商業(yè)化），它只包含336個堿基對。堿基對是遺傳物質(zhì)的構(gòu)建模塊。

Zechiedrich說：“以前的研究是針對線性DNA的短片段（6～12個堿基對），但是人類DNA在你的身體內(nèi)不斷地移動——它盤繞和解開。你不能盤繞線性的DNA并研究它，所以我們必須纏成線圈。”

人體內(nèi)的每個細(xì)胞都擁有約一米長的DNA（比研究團(tuán)隊制備的微環(huán)長一千萬倍）。在這項研究中，他們纏繞或解開包含他們圓圈的DNA雙螺旋，使用非常強大的顯微鏡，觀察纏繞如何改變這些微環(huán)的外觀。

研究人員設(shè)計了一個測試，以確保他們在實驗室里制造的微小卷繞DNA環(huán)是具有生物活性的。他們使用的是純化的人拓?fù)洚悩?gòu)酶IIα——一個重要的酶，操縱DNA并且是抗癌藥物的重要靶點。

這種酶解除了所有超螺旋微環(huán)的纏繞應(yīng)力——即使最纏繞的，這是它在人體內(nèi)的正常工作。這個結(jié)果意味著，這些微環(huán)必須看上去、并且表現(xiàn)得像人類細(xì)胞中拓?fù)洚悩?gòu)酶遇到的更長的DNA。

本文共同作者Daniel J. Catanese博士指出：“這些酶對線性DNA沒有任何影響，因為它不是盤繞的。”

本文共同第一作者Rossitza N. Irobalieva博士，使用低溫電子斷層掃描術(shù)——一種強大的顯微鏡技術(shù)，包括冷凍生物活性材料，首次提供了單個DNA分子的三維結(jié)構(gòu)。她看到，纏繞引起了許多不同的形狀。Irobalieva說：“一些微環(huán)有急彎，一些是8字形，其他一些看起來像球拍或縫紉針。一些看起來像魚竿，因為它們太卷繞了。”

本文另外一位共同第一作者、貝勒醫(yī)學(xué)院的Jonathan Fogg博士指出：“能夠觀察到單個的DNA環(huán)，可以讓我們了解生物活性DNA的不同結(jié)構(gòu)。這些不同結(jié)構(gòu)當(dāng)中的每一個，都有利于DNA與蛋白質(zhì)、其他DNA和RNA、以及抗癌藥物的相互作用，從而適應(yīng)必需的細(xì)胞過程。”

雖然研究人員希望看到，當(dāng)DNA被解開時堿基對是開放的，但是他們驚訝地看到，卷得太緊的DNA發(fā)生了這種開放。他們推測，這種堿基對的破壞可能會導(dǎo)致靈活的鉸鏈，從而使DNA急劇彎曲，也許有助于解釋“一米的DNA如何可以被擠在一個小小的人類細(xì)胞中”。

Fogg說：“接下來，我們開始添加細(xì)胞的其他組件或抗癌藥物，來看看DNA形狀如何變化。”來自多個領(lǐng)域的一組研究人員將聚集在一起解決這個基本問題。