物理所李明研究組：利用超高精度單分子熒光研究分子馬達步進機理

【成果簡介】

近日，該研究組將單分子熒光的測量精度提高了一大步。研究人員根據彈性力學計算，設計了一種稱為“納米張力器（nanotensioner）”的DNA結構，將一小段DNA彎成一張弓，利用DNA雙螺旋結構的彎曲彈性，將張力直接作用于待解開的DNA雙鏈岔口，將DNA單鏈撐開并抑制其熱漲落。他們將該方法應用于研究人源Pif1和大腸桿菌RecQ解旋酶。以往由于精度有限而看起來相似的解旋信號在新實驗中表現得迥然不同，表觀上的不同并不意味著這些解旋酶完全不相干。高精度下測得的不同點，實際上隱含著更深層次的共同點。基于這個思路，科研人員提出了一個分子模型：解旋酶一次消耗一個ATP，破壞一對堿基的氫鍵；Pif1的氫鍵斷裂與堿基釋放同步，看起來一次解開一對堿基；RecQ的氫鍵斷裂與堿基釋放不同步，看起來一次解開隨機個數的堿基對。該模型可以更準確更細致地刻畫多種解旋酶的結構與功能的關系，這加深了對分子馬達的理解。研究成果發表在Physical Review Letters上。

【圖文導讀】

圖1 常規FRET實驗

（a）常規FRET實驗中用帶自由單鏈的DNA分岔結構作為底物，兩個熒光分子的間距增加一個堿基對時，FRET效率只改變0.04

（b）用DNA張力器將自由單鏈撐開，兩個熒光分子的距離增加一個堿基對時，FRET效率改變0.13

（c）常規FRET實驗中，Pif1與RecQ的解旋數據類似，無法區分

（d）高精度實驗中，兩個解旋酶表現出完全不同的動力學性質

圖2 模擬分析

（a）基于高精度實驗結果提出的解旋酶的普適解旋模型：解旋酶消耗一個ATP，破壞一對堿基的氫鍵，但并不立即釋放打開的堿基。不同的解旋酶釋放堿基的速率依賴于其自身的結構，產生不同的表觀解旋動力學特征

（b）模特卡羅模擬表明，通過調節堿基釋放的速率，該普適模型可以解釋Pif1和RecQ不同的解旋步進（左列）及其在每一步的等待時間（右列）的統計分布規律

【研究內容】

從測量角度看，實驗科學的發展就是一個不斷提高測量精度的過程。精度提高一步，科學就前進一步。這一點在分子生物物理中也不例外。有一類生物分子，一般稱為分子馬達，利用ATP水解產生的能量做軌道運動，完成其重要功能。以DNA解旋酶為例，一般的理解是：解旋酶消耗一個ATP，打開一對堿基，并沿著DNA向前移動一步。要定量刻畫解旋酶的分子機理，測量精度至少要達到0.3nm，這是DNA雙螺旋中堿基對之間的最小距離。單分子熒光共振能量轉移（FRET）是研究解旋酶分子機理的重要工具，它應用偶極子之間相互作用對距離敏感的原理，測量分子馬達的運動。理論上，FRET可測量0.1nm的距離變化。然而，當將FRET應用于DNA雙鏈的解旋研究時，很少能在室溫下的水溶液中逼近這一極限，以至于很難區分本來應該有很大差別的解旋酶。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）軟物質與生物物理實驗室李明研究組致力于發展單分子技術研究生物大分子的動力學，在DNA凝聚和染色質組裝 、分子馬達以及膜蛋白動力學等方面取得了系列成果，研究主線是通過高精度的單分子測量獲取生物大分子的精細動力學信息。

研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院前沿科學重點項目以及中科院青年創新促進會的支持。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201710/t20171023_4618790.shtml

文獻鏈接：Helicase Stepping Investigated with One-Nucleotide Resolution Fluorescence Resonance Energy Transfer（Phys.Rev.Lett.,2017,DOI:10.1103/PhysRevLett.119.138102）

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