用荧光显微示踪方法研究RecA在DNA同源识别过程中的工作机理

RecA是原核生物体内参与DNA同源识别过程的一种关键蛋白,长期以来一直是同源重组相关课题的重要研宄对象.通过荧光显微示踪方法,发现在同源识别过程中RecA与单链DNA形成的核蛋白丝与模板DNA的结合是短时(τ=0.2 s)和短程(l=1.05μm)的,结合后搜寻模板DNA上的同源位点的过程可分为布朗运动和定向运动两种模式.结合时核蛋白丝并不是缠绕在模板DNA上,而是以一种更弱的方式结合在模板DNA外侧进行位点搜寻.如果在该过程中没有找到同源位点,核蛋白丝就会脱离模板DNA,并寻找下一次与模板DNA结合的机会,重复以上过程.     

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     

用全内反射瞬逝场照明磁镊研究Bloom解旋G-四联体

G-四联体(G-quadruplex,G4)是广泛存在于细胞基因组中的一种DNA结构,在DNA的代谢如复制、转录、同源重组等过程中起重要作用.G4解旋酶近年来受到广泛研究,其中Bloom(BLM)解旋酶的研究已经相当丰富,但仍有一些基本问题不清楚.我们应用全内反射瞬逝场照明磁镊对BLM解旋G4的动力学过程进行了深入研究,观察到了BLM解旋G4的分步过程.相对于单分子荧光共振能量转移技术而言,借助磁镊的长时间观测性能,我们在近饱和三磷酸腺苷(ATP)浓度的实验体系中观察到BLM长时间反复解开G4或者长时间维持G4于打开状态的两种作用方式.最后,使用相同的实验条件做了单分子荧光共振能量转移实验,确定了加载2-3 pN的外力对BLM解旋G4没有显著影响.     

谐振势阱中的布朗运动——磁镊实验与模拟

从磁镊实验和模拟角度研究了处于谐振势阱中的布朗运动. 利用实验和模拟的结果验证了理论.然后通过理论与实验的对照, 对磁镊实验中DNA分子的持久长度大小对小球位移分布的影响, 以及磁镊实验中的测力误差作了相关分析.分析指出:持久长度的变化对沿 DNA链方向上的布朗运动影响更大;小的外力作用下力的测量会出现较大误差.     

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.     

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.     

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     

用单分子技术研究抗癌药物顺铂对DNA结构的影响

文章作者用磁镊与原子力显微镜研究了抗癌药物顺铂对单个DNA分子结构的影响.当顺铂浓度较低时,DNA链变得柔软,驻留长度从～52 nm显著缩短到～15 nm;当顺铂浓度较高时,DNA表现出凝聚现象.基于单分子拉伸和原子力显微镜(AFM)成像两方面的实验结果,文章作者提出一个顺铂导致的DNA变软(softening)-成环(looping)-缩短(shortening)-凝聚(condensing)模型(简写为SLSC模型)来解释观察到的DNA凝聚,并认为通过远程交联使DNA形成小环结构是铂类抗癌药物作用的重要特征.     

紫玉兰素A与人端粒G-四链体相互作用的光谱学研究,第一个木脂素类衍生物与G-四链体相互作用

人端粒G-四链体结构是指端粒末端富含鸟嘌呤(G)的DNA序列在一价阳离子(如K+和Na+)诱导下通过G碱基间Hoogsteen氢键连接形成的DNA二级结构.能够稳定端粒G-四链体的配体通常为端粒酶抑制剂,其可能成为抗肿瘤药物.应用CD,FRET,NMR光谱方法第一次较全面地研究了一种木脂素衍生物,紫玉兰素A (liliflorin A)与人端粒序列dGGG (TTAG(G)3G-四链体HTG21的相互作用,采用分子对接技术进一步研究紫玉兰素A与人端粒序列dTAGGG(TIAGC)3 G-四链体HTG23的结合位点.CD实验数据表明紫玉兰素A提高HTG21解链温度,FRET实验测得4.0μmol·L-1紫玉兰素A可以将HTG21稳定温度提高3.2℃.NMR实验结果表明,加入紫玉兰素A三小时后HTG21核磁谱图出现明显变化.分子对接结果表明紫玉兰素A结合到HTG23较宽沟槽上,结合位点为G9,G10,G16和G17.紫玉兰素A是第一个能够选择性稳定人端粒G四链体HTG21的木脂素类衍生物配体.实验结果为以人端粒G-四链体为靶点的抗肿瘤药物设计提供了新型候选化合物.     

单分子操纵与单分子生物物理

文章介绍了近年来发展起来的一些单分子操纵实验技术如光镊、磁镊、微针、斯托克斯拖曳技术，以及应用这些技术拉伸、旋转、解链DNA分子，从而研究其力学性质所取得的研究进展．各种蛋白质如T7 DNA聚合酶、拓扑异构酶，SWI／SNF染色质重建复合体、RNA聚合酶与DNA的作用在生化过程中十分重要，因此，文章也介绍了这些蛋白质与DNA在单分子的水平上相互作用所取得的研究进展．     

Direct visualization of the formation of RecA/dsDNA complexes at the single-molecule level

The assembly of RecA on linear dsDNA with ATPγS in the reaction was elucidated using atomic force microscopy (AFM) on a single-molecule level. It was found that assembly generally (～95%) proceeded from a single nucleation site that started from one end of the DNA strand. About 5% of the complexes were formed starting either from both ends or from the middle of dsDNA strand. In all these cases, the RecA coating was contiguous for each region suggesting the binding of RecA to DNA is cooperative. The AFM observation provides direct experimental evidence to show how RecA binds to linear dsDNA in the presence of ATPγS.     

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.     

An Improvement on the Combination of Magnetic Trap and Fluorescent Resonant Energy Transfer

The combination of magnetic trap(MT) and fluorescence resonant energy transfer(FRET) allows for nanoscale measurements of configurational changes of biomolecules under force. However, the magnetic bead involved in MT experiments introduces a substantial amount of background fluorescence which reduces the signal-to-noise ratio(SNR) of FRET significantly. Moreover, the short lifetime of the dye used in FRET limits the total sampling time when combined with MT. Here we use a moveable tube lens to adjust the wave front in the light pathway of MT so that both images of the magnetic bead and the fluorescent signals can be detected when long DNA handles are used to reduce the auto-fluorescence of the magnetic bead. We utilize the internal trigger of an electron multiplying charge-coupled device camera to control a shutter so that the dye can be excited intermittently when long time measurement of FRET is needed. As a demonstration of the hybrid technique, we observe the unfolding/refolding dynamics of a DNA hairpin and measure the DNA unwinding activity of the saccharomyces cerevisiae Pif1(Pif1). Our results show that the unwinding burst of Pif1 under external force is different from that without the force. In addition, the improvement provides a better SNR and a longer sampling time in experiments in the MT-FRET assay.     

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.