全内反射瞬逝场照明高精度磁镊及其在DNA解旋酶研究中的应用

传统磁镊的测量精度受限于磁球的布朗涨落, 当磁力小于约10 pN时, 磁球的布朗涨落明显增大, 对应磁镊的空间分辨率显著下降. 为了提高传统磁镊在小力条件下的测量精度, 本文将全内反射荧光技术引入到磁镊技术中, 并建立相适应的“磁球-手柄-荧光微球-待测生物分子”单分子连接系统, 在小力条件下(小于10 pN)获得纳米量级的测量精度. 应用改进的磁镊对DNA发卡的折叠-去折叠态的转变过程进行了研究, 依据DNA发卡的折叠-去折叠态转变的性质对全内反射场的穿透深度进行了校正, 并结合实验结果对改进后的磁镊的测量精度进行分析. 观察了Bloom解旋酶的解旋动力学过程, 获得初步实验结果, 证实了改进的磁镊在单分子研究中的实用性. 关键词： 磁镊 全内反射荧光 DNA发卡 解旋酶     

单分子技术研究T7解旋酶的解旋与换链

单分子荧光共振能量转移(smFRET)和磁镊(MT)技术目前广泛应用于研究分子马达.相较于常规技术,其具有高精度及动态观测的优点.本文研究对象为T7解旋酶,是六聚体解旋酶的典型代表.研究表明,这种解旋酶主要消耗脱氧胸苷三磷酸(dTTP)提供能量,且仅能沿着5′-3′单向进行行走和解旋工作.目前对于六聚体解旋酶的解旋和换链机制的认知仍然存在着诸多问题,因此本文主要以此作为切入点开展研究.首先通过运用smFRET技术研究T7解旋酶在不同DNA底物上的解旋现象,发现其需要3′-尾链参与到解旋工作中,但其为单链或双链结构并无明显区别;通过改变脱氧核糖核酸(DNA)序列中的GC含量,发现T7解旋酶随着序列中GC含量的升高会更容易在解旋过程中发生回退现象,导致解旋长度明显缩短;通过进一步分析发生回退先的实验数据,发现T7解旋酶除了可以瞬时回退到叉形DNA岔口或脱落外,还可以缓慢回退到叉形DNA岔口;运用MT技术研究该解旋酶,同样发现这种缓慢回退现象的存在.根据T7解旋酶解旋DNA遵循的单向性和极性,其只能沿着5′到3′方向进行行走和解旋.因此,本文推测这种缓慢回退的现象可能是解旋酶从5′-链转移至3′-链上,即发生换链过程;最后,本文提出了T7解旋酶在解旋过程中进行换链的模型,将有助于进一步理解环状六聚体解旋酶行使其功能的分子机制.     

一种改进型单分子操纵装置及其应用

改进了单分子横向磁镊装置,可以直接用于观察单个DNA分子的伸长和扭转并随时更换样品池内的溶液,还可以同时操纵多个DNA分子,大大提高实验效率.此方法可以提供01到40pN范围的拉力,足以满足大部分单分子DNA实验的要求.用该装置实时观测到了DNA分子在拉力作用下的伸长以及在旋转磁场作用下的扭转,并成功地观察到了分子马达拉动DNA的动力学过程,从而验证了该装置的实用性. 关键词： 横向磁镊 单分子操纵 DNA拉伸 DNA扭转     

微腔中单分子对荧光共振能量转移光谱学的理论研究

生物大分子动态的结构变化能够使用单分子对荧光共振能量转移谱技术来研究.主要研究了微腔在单分子对共振能量转移实验中有效提高相应单分子对的荧光发射信号的作用,从而提高该技术的时间分辨率.研究发现.由于受体一微腔的强耦合相互作用,光学微腔使得受体分子变成了一个类似于单原子激光的激光体.此外,随着距离的增加.受体的光子数会很快下降.微腔使受体的发射光对单分子对间的距离有更大的依赖性,在腔体中进行单分子对共振能量转移实验町以得到更高的时间分辨率.研究结果为单分子对荧光共振能量转移技术提供了实验方法和理论指导.     

单分子荧光共振能量转移数据处理的优化算法

单分子荧光共振能量转移(smFRET)技术是当今单分子生物物理研究领域的重要实验手段,该技术通过测量供体、受体荧光光强以及二者间的共振能量转移效率,揭示标记位点间的距离,用于研究DNA、蛋白质等生物大分子的构象变化.然而,当前传统数据处理方法大量依赖人工干预,噪音大,严重影响了实验效率和数据的可靠性.本文提出了一种针对smFRET数据的自动分析算法.该算法主要包括三个部分:基于计算供体与受体荧光光强的相关系数来确定受体与供体对应荧光点的自动匹配算法、甄别错误点的筛选算法以及基于隐马尔可夫模型的全局拟合算法.经改进后的算法大大简化了传统算法中需要人工干预的步骤,而且自动筛除了实验数据中主要的几类噪音.将改进的算法应用于人类端粒重复序列G-四联体(G4)DNA折叠动力学的数据分析,结果显示优化算法比传统算法能够更快地得到更高信噪比的数据,而且该数据结果清晰地表明G4的折叠体现出多态性并受到钾离子浓度的影响.     

磁镊结合DNA发夹的方法在RecA蛋白介导的同源重组机制研究中的潜在应用

同源序列识别与链交换过程是同源重组领域的重要研究方向.RecA蛋白作为重组酶家族的重要成员而一直被广泛研究.利用smFRET以及传统磁镊、光镊等技术,人们对同源重组过程的分子机制有了较深入的了解,然而,这些技术无法同时兼顾大量程与高精度的需求.本文提出一种传统磁镊结合DNA发夹结构的研究方案,并以大肠杆菌中的RecA介导的同源重组过程为例来阐述该方法的优点.使用本实验方案,我们实时观察到以下过程:1)RecA介导的链交换平均速度与已有结果一致,但并非匀速,而是以台阶式的跳变进行;2)直接观察到RecA第二结合位点与被置换链的动态相互作用过程,测量到第二结合位点与被置换链之间的结合力为3.0 pN,与光镊结合磁镊测量出的结果相符;3)能够区分链交换的方向性并观察到按照不同方向进行链交换的反应细节.本文提供了一个可以兼顾精度和测量范围的实验方法,并以RecA蛋白为例设计实验验证了其可靠性.磁镊结合DNA发夹结构的方法具备用于研究RecA或其他同源重组蛋白工作机理的潜质.因此,本文的工作有望成为单分子生物学领域研究同源重组过程的一个重要方法.     

打开DNA双链的物理新方法——激光微流法

文章报道了一种打开DNA双链的物理方法——激光微流法.DNA双链分子被固定在石英片的表面,在一定强度的激光衰逝波和微流振荡共同作用下,DNA双链间的氢键被迅速打开.利用全内反射单分子荧光共振能量转移技术,可以观察到激光微流法打开单个DNA的动力学过程.通过对激光进行控制,可以准确地打开连接在石英表面特定位置的DNA双链.DNA分子打开的比例与激光功率的关系表明微流产生的机械能与激光光能在DNA双链打开过程中缺一不可.     

解旋酶Sen1行走机制的研究

转录终止是调节基因转录过程的重要步骤,关系到基因表达调控过程的正常进行和基因组的稳定性.酵母体系中,Sen1是一种解旋酶,通过水解腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)获得能量来行使在核酸底物上的一维运动,进而实现转录终止功能.然而,Sen1的这种运动机制与转录终止功能的关联,目前尚未清晰的表征.本文应用凝胶电泳迁移方法表征Sen1解旋双链DNA和结合单链DNA的能力,并且发现单个Sen1分子能够结合≤24 nt(nucleotide,nt)的单链DNA;进一步,在提供ATP的条件下,应用单分子荧光共振能量转移技术表征了Sen1在单链DNA上的行走功能,其行走速率随ATP浓度变化而变化,符合经典米氏动力学模型;考虑单链DNA底物的长度,可以估算出Sen1的行走速率约为70 nt/s.这些研究结果定量表征了Sen1的行走速率,为理解真核转录终止机制提供了分子马达运动方面的实验数据.     

基于片层光照明的新型单分子横向磁镊

磁镊是一种高精度的单分子技术,它用磁场对连有生物大分子的超顺磁球产生磁力,通过追踪磁球的位置来测量生物大分子的长度信息.磁镊包括横向磁镊和纵向磁镊.纵向磁镊空间精度高,但昂贵;横向磁镊简单便宜,但由于受其成像原理的限制,一般情况下只能连接较长的DNA等生物大分子,且其空间精度较差,进而限制了其应用范围.为了解决这个问题,本文改进了横向磁镊,用片层光照明的方法使光线主要被磁球散射,从而能够直接观察到吸附在样品槽侧壁上的磁球,这使得测量短连接的底物成为可能.对于实际应用的检测,首先测试了包含270 bp发卡结构的0.5μm双链DNA,用其中发卡结构的"折叠-去折叠"跳变过程证明了改进后的横向磁镊的确可以追踪短DNA等生物大分子.然后,进一步用16μm的λ-DNA检验了实验系统.最后,将新型横向磁镊与普通横向磁镊及纵向磁镊在小力和大力条件下拉伸不同长度DNA的噪声进行了比较,发现改进后的横向磁镊在空间精度上明显优于普通横向磁镊,与纵向磁镊相比也无明显差异.以上结果证明了改进后的横向磁镊的精度优势,并扩展了横向磁镊的应用范围.     

表面增强的分子间能量转移效应的机理研究

对吸附于粗糙金属银表面的分子间能量转移效应的机理进行了研究.采用电磁理论,讨论了金属银表面对分子间能量转移速率的影响.结果表明,当能量供体(D)分子的辐射频率和能量受体(A)分子的吸收频率同时与银表面等离子体激发频率共振时,分子间非辐射的能量转移速率被增强10~3—10~4倍.采用表面增强喇曼散射(SERS)活性表面-银胶,测量了吸附的2,2菁染料单体分子和J聚集体分子的荧光光谱,观察到的J聚集体分子增强的592.4nm的荧光带是通过被加速的分子间能量转移过程而产生的,从而证实了表面增强的分子间能量转移效 关键词：     

Bloom's syndrome protein unfolding G-quadruplexes in two pathways

The Bloom helicase(BLM) gene product encodes a DNA helicase that functions in homologous recombination repair to prevent genomic instability. BLM is highly active in binding and unfolding G-quadruplexes(G4), which are noncanonical DNA structures formed by Hoogsteen base-pairing in guanine-rich sequences. Here we use single-molecule fluorescence resonance energy transfer(smFRET) to study the molecular mechanism of BLM-catalysed G4 unfolding and show that BLM unfolds G4 in two pathways. Our data enable us to propose a model in which the HRDC domain functions as a regulator of BLM, depending on the position of the HRDC domain of BLM in action: when HRDC binds to the G4 sequence, BLM may hold G4 in the unfolded state; otherwise, it may remain on the unfolded G4 transiently so that G4 can refold immediately.     

钙离子调控微丝切割蛋白中A6亚基解折叠的单分子力谱研究

在生命活动中,金属离子扮演了非常重要的角色.微丝切割蛋白(adseverin)需要钙离子的活化才能行使其切割肌动蛋白微丝的功能.本文通过基于原子力显微镜的单分子力谱研究了微丝切割蛋白C端末的A6亚基在结合钙离子前后的力学解折叠机理.实验结果显示:在未结合钙离子时,A6的解折叠表现为两态过程;在结合钙离子后A6力学稳定性显著提高;同时,钙离子的结合使得A6解折叠过程中出现稳定的中间态.通过对中间态的链长的分析,我们推测了中间态对应着A6的N端部分解折叠.而这一部分的解折叠可以使得掩藏在该结构后的A5亚基中肌动蛋白微丝结合位点暴露,从而促使微丝切割蛋白执行功能.我们的实验结果为理解微丝切割蛋白的工作原理提供了新的实验证据.     

Interaction between human telomeric G-quadruplexes characterized by single molecule magnetic tweezers

Human telomeric G-quadruplex plays a crucial role in regulating the genome stability. Despite extensive studies on structures and kinetics of monomeric G-quadruplex, the interaction between G-quadruplexes is still in debate. In this work,we employ magnetic tweezers to investigate the folding and unfolding kinetics of two contiguous G-quadruplexes in 100-mM K~+buffer. The interaction between G-quadruplexes and the consequent effect on the kinetics of G-quadruplex are revealed. The linker sequence between G-quadruplexes is further found to play an important role in the interaction between two G-quadruplexes. Our results provide a high-resolution insight into kinetics of multimeric G-quadruplexes and genome stability.     

单分子动力学研究大肠杆菌单链结合蛋白与单链DNA的结合过程

大肠杆菌单链结合蛋白(E.coli SSB)具有与单链DNA(single-stranded DNA,ssDNA)结合的性质,起着保护ssDNA及引导相关蛋白质反应的重要作用,然而,它与ssDNA的结合过程及其细节尚未得到确定的研究结果.本文采用单分子磁镊对E.coli SSB/ssDNA复合体进行拉力测试,并采用单分子化学反应动力学方法对测试结果进行分析.研究发现:E.coli SSB在ssDNA上的结合过程分为两个不同的阶段,一个是在临界力下快速的结合缠绕阶段,一个是随着力的进一步减小逐步缠绕的阶段.从中得到了E.coli SSB与ssDNA的化学反应系数,并得到了相应的自由能参数.采用自由能校准的方法,得到了SSB与ssDNA结合的完整自由能曲线,从而揭示了E.coli SSB与ssDNA的结合特征.本文的分析方法也可以应用于相似的化学反应的研究中.     

Equilibrium folding and unfolding dynamics to reveal detailed free energy landscape of src SH3 protein by magnetic tweezers

Src SH3 protein domain is a typical two-state protein which has been confirmed by research of denaturant-induced unfolding dynamics. Force spectroscopy experiments by optical tweezers and atomic force microscopy have measured the force-dependent unfolding rates with different kinds of pulling geometry. However, the equilibrium folding and unfolding dynamics at constant forces has not been reported. Here, using stable magnetic tweezers, we performed equilibrium folding and unfolding dynamic measurement and force-jump measurement of src SH3 domain with tethering points at its N-and C-termini. From the obtained force-dependent transition rates, a detailed two-state free energy landscape of src SH3 protein is constructed with quantitative information of folding free energy, transition state barrier height and position,which exemplifies the capability of magnetic tweezers to study protein folding and unfolding dynamics.     

用单分子技术研究Sso7d与DNA的相互作用

为了维持基因的稳定性,每种生物体都含有一套独特的染色质蛋白来保护脱氧核糖核酸(DNA)的结构,观察染色质蛋白对DNA结构的作用过程和结果,可以帮助人们了解这些蛋白的具体功能和作用机理.硫化叶菌是一种能在高温下存活的古细菌,Sso7d是硫化叶菌的一种染色质蛋白.深入地了解Sso7d和DNA链的相互作用,有助于解释硫化叶菌的DNA为何能在高温环境下保持活性,本文通过原子力显微镜(AFM)和磁镊两种单分子操作手段,研究了Sso7d与DNA的相互作用.AFM的实验结果给出了Sso7d与DNA的作用过程:结合Sso7d后,DNA首先发生弯折,然后出现loop结构,最终DNA会团聚为致密的核结构.利用磁镊装置测量了Sso7d的结合对打开DNA双链的影响,实验结果表明Sso7d的结合导致打开DNA双链的力的增大,经过数据分析,计算出Sso7d与DNA结合的结合能?G=3.1k_BT,平均每5.5个碱基对(bp)结合一个Sso7d,较高的结合密度和较大的结合能,两方面的作用结果,解释了Sso7d能够稳定DNA结构的原因.     

Improved data analysis method of single-molecule experiments based on probability optimization

To extract the dynamic parameters from single molecule manipulation experiments, usually lots of data at different forces need to be recorded. But the measuring time of a single molecule is limited due to breakage of the tether or degradation of the molecule. Here we propose a data analysis method based on probability maximization of the recorded time trace to extract the dynamic parameters from a single measurement. The feasibility of this method was verified by dealing with the simulation data of a two-state system. We also applied this method to estimate the parameters of DNA hairpin folding and unfolding dynamics measured by a magnetic tweezers experiment.