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离子与生物分子相互作用的新型动态探针

文章作者:产品测评 上传时间:2019-12-12

物理学院王炜教授、曹毅教授研究团队在生物分子力学特性研究方面取得新进展,发现了一种受镁离子调控的具有力学各向异性的RNA三通(Three-way junction)结构,相关结果以“Mg2+-Dependent High Mechanical Anisotropy of Three-Way-Junction pRNA as Revealed by Single-Molecule Force Spectroscopy”为题,发表于2017年7月的《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition, 2017, 56, 9376 –9380 DOI: 10.1002/anie.201704113)上。该论文的第一作者为南京大学物理学院2015级博士研究生孙阳,通讯作者为王炜教授和曹毅教授。南京大学的秦猛教授及邸维帅、李一然、黄文茂、王鑫同学也对该项工作作出重要贡献。

成对的带负电荷的磷酸基团和正镁离子代表嵌入水中的DNA和RNA的关键结构特征。现在已经建立了磷酸基团的振动作为这种接触对的选择性探针,并允许在分子动力学的超快时间尺度上绘制相互作用和结构。

在人体中各组织和器官往往呈现出力学的各向异性。例如血管的径向力学强度远远超过其轴向力学强度,这对其承受一定血压正常工作具有重要意义。但人工设计的生物材料往往各向同性。通过生物分子设计力学各向异性的材料仍然是一项巨大的挑战。以往的研究经验总是把寻找各向异性的材料局限在蛋白质上,而RNA因为其缺少长程的相互作用,被认为力学强度较弱,且不具备各向异性的特点。经过对不同RNA结构的比较和总结,王炜教授研究团队发现一种特殊的RNA结构可能具有力学各向异性。他们发现噬菌体j29的DNA组装马达的核心部分的RNA三通结构单元具有特殊性。该结构由三条链组成三个螺旋结构,其中H1、H2同轴,H3与H1、H2呈90度排列。而且其天然状态包含两个镁离子结合位点。这种三链两离子配位结构显然具有不对称性。特别是两个镁离子结合位点距离很近,在拉伸时可能具有协同性,从而使得在不同拉伸方向力学强度各异。他们进一步通过单分子力谱的实验验证了这一猜想。在实验研究的四个不同拉伸方向上,3WJ-pRNA的解折叠力最大可达到219 pN,而最小仅为47 pN。而且其力学各向异性可受到镁离子结合解离的可逆调控。这是首次发现RNA分子也可呈现出力学各项异性,为制备各项异性的生物材料提供了新的思路。同时,他们还通过对不同拉伸方向RNA的解折叠的能量面进行了精确刻画,发现3WJ-pRNA的力学各向异性是由于在拉伸过程中两个镁离子结合位点不同协同性所致。这也是生物分子力学各项异性的新机制。

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DNA和RNA是带电荷的聚合物,它以双螺旋结构编码遗传信息,并且是蛋白质生物合成的关键参与者。它们的负电荷位于分子骨架中,其由离子磷酸盐和糖基团组成。DNA和RNA的大分子结构的稳定化需要通过相反的离子补偿同等电荷的磷酸基团之间的强排斥电力。在这种情况下,镁离子是特别相关的,因为它们不仅稳定结构而且还介导外部结合配偶体的识别并充当催化中心。此外,通过动态折叠过程的大分子结构的变化与嵌入周围水壳中的正离子的重排相关联。

图一:3WJ-pRNA的结构和不同拉伸方向的力学强度

正离子以不同的几何形状排列在DNA和RNA周围:在所谓的位点结合或接触对几何结构中,正离子位于与磷酸基团的氧原子直接接触的位置。相反,所谓的外部离子气氛由正离子组成,所述正离子被来自磷酸基团的至少一层水分子分开。不同几何形状和潜在相互作用的功能作用远未被理解。对分子水平的深入了解需要高灵敏度的探针,这些探针可以在不干扰它们的情况下辨别不同的离子几何形状,并在分子运动的超快时间尺度上绘制它们的动力学。

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