揭示DNA和RNA螺旋扭转改变的物理机制

这项研究由城大物理学系助理教授代亮博士，与来自武汉大学的合作者共同领导。由于扭转（twist）是DNA双螺旋的关键结构参数，他们重点研究DNA在变形过程中DNA扭转的变化。增加DNA的扭转角度不但会形成DNA超螺旋（supercoils），还会增加DNA“解链（unzipping）”的能量消耗，从而抑制基因表达。而基因表达其中一个关键的步骤，就是将双螺旋DNA“解链”成两条单螺旋DNA，以读取DNA的序列。相反，减少DNA的扭转数量则会促进基因表达。代博士举例说：“细菌会主动控制DNA的扭轉角度或DNA超螺旋来调控基因表达。”

代博士和合作研究人员于研究中观察到，当盐的浓度和温度发生变化时，DNA的扭转亦发生了显著变化。他们的实验表明，DNA的扭转会随着氯化钠（NaCl）和氯化钾（KCl）的浓度上升而增加。

破解出扭转变化背后的机制

研究人员观察到由盐浓度变化诱发出扭转变化的惊人结果，驱使他们找出背后的物理机制。代博士指出，相关机制相当复杂，因为DNA存在着各种的相互作用，例如氢键、碱基堆积（base stacking）和静电相互作用。而改变盐浓度亦会改变DNA中的许多相互作用，这些相互作用通过不同的传导途径影响DNA扭转，于是令最终的扭转变化难以捉摸。

代博士和他的合作研究人员某程度上破解了相关机制，建立出一个简单的物理模型来揭示由盐所诱发的扭转变化机制。代博士进一步说：“我们发现更多的盐会加强螺旋之间静电排斥的屏蔽（screening），从而缩短了DNA的直径，最后转化成增加的扭转。”

不单是盐浓度，同一物理模型更能定量地解释由温度所引起的DNA扭转变化。基于该物理模型的解析公式，研究团队推导出DNA扭转随温度改變的变化值，并发现与实验结果定量吻合。这意味着由盐和温度诱发的DNA扭转变化此两种独立现象，是由相同的机制所驱动。

代博士说：“此问题的答案在过去20年间一直众说纷纭。”科学家一般预计，拉伸应该会减少DNA的扭转。然而，2006年一项实验却观察到拉伸反而会增加DNA扭转的趋势。不过2014年，另一项实验则观察到拉伸减少了RNA扭转，与DNA的趋势相反。代博士坦言：“RNA和DNA具有相似结构，但居然显示出相反的反应，这结果令人非常惊讶。”

在仔细分析各种条件下受外力促成的DNA和RNA扭转变化后，研究团队发现，取决于DNA或RNA所处的状况，拉伸其实能增加亦能减少扭转。代博士总结道：“我们基本上归纳出四种DNA和RNA的拉伸情况，而之前的研究只观察到当中的几种。”

研究团队提出了统一的机制来解释该四种情况。拉伸标准的DNA和已被压缩的RNA会使它们扭转得更多；相反，拉伸已延长的DNA和标准的RNA，会令它们扭转得更少。

他们的研究结果已于学术期刊《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）上发表，题为〈Multivalent Cations Reverse the Twist-Stretch Coupling of RNA〉。代博士、张教授以及谭教授均是论文的通讯作者。而来自城大物理学系的田馥嘉亦有参与研究，其他研究人员则来自武汉大学。

上述两项研究获得香港研究资助局和国家自然科学基金委员会的资助而进行。

DOI number: 10.1126/sciadv.abn1384 and 10.1103/PhysRevLett.128.108103