城大学者揭开了DNA和RNA变形机制的奥秘

DNA和RNA是核酸的两种主要类型，也是构建生命的最基本单位，但它们很容易受到环境刺激的影响，从而发生变形、弯曲或扭曲。这种核酸变形会严重影响基因调控和蛋白质功能，但传统技术难以对这些变形进行准确的测量。最近，香港城市大学（城大）物理学家有份共同领导的一个科研团队，便成功精确地测量了盐分、温度变化和拉伸力所引起的核酸变化，有助于揭示DNA和RNA变形的共通机制。

虽然DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）的变形具有重要的生物学意义，但一直以来，由于精确测量核酸变形的难度极高，加上核酸之间相互作用的复杂性，令科学界对它们的了解十分有限。为了克服这两大困难，由香港城大和武汉大学科学家领导的研究团队采用了实验、模拟和理论相结合的方法，终揭开了DNA和RNA变形共通性的秘密。

这次研究取得成功的关键，在于一种名为“磁力镊子”（magnetic tweezers）的准确测量工具。磁力镊子是生物物理学和分子生物学中一种强大的精密实验技术，可用于研究DNA、RNA和蛋白质等生物分子的机械特性。在磁力镊子的实验中，一粒微小的磁珠会吸附于被研究的分子之上，然后研究人员可利用磁场来操控磁珠的位置。

通过仔细测量磁珠的移动，研究人员能够研究分子的机械特性，例如其弹性、硬度和对外力的反应。这正好可应用于测量由环境刺激引起的DNA和RNA的微小扭曲变化，因为即使只是极微小的核酸扭曲变化，也可以沿着DNA或RNA长长的分子累积起来，导致DNA或RNA末端出现大幅度的旋转，遂能够被测量得到。

在本次研究中，科研人员在实验中便采用了磁力镊子，精确地测量由盐分、温度变化和拉伸引起的DNA和RNA扭曲变化。

科研团队通过实验，量化了“DNA扭曲-直径耦合常数”以及“RNA扭曲-沟槽耦合常数”，并使用了耦合常数来解释了DNA和RNA的变形。团队透过将上述实验结果与电脑模拟、理论和之前的其他研究成果相结合，结果成功发现了由盐分、温度变化和拉伸力引起的DNA和RNA变形机制，原来是由两个共通的途径驱动：即DNA的“扭曲-直径耦合”以及RNA的“扭曲-沟槽”耦合。

以DNA来说，来自环境的刺激通常首先会改变DNA的直径，然后通过DNA扭曲与DNA直径之间的强耦合引发了扭曲变化；但对于RNA而言，若降低盐分浓度或升高温度，则会“解开”了RNA，因为这会扩大了RNA主沟槽的宽度以及导致核酸减少扭曲，故此被称为“扭曲-沟槽耦合”。

通过分析过往其他与蛋白质结合有关的研究数据，科研团队进一步发现，当蛋白质的结合引发核酸变形时，无论是DNA或RNA均会依循相同的共通途径去变形。这表明这两种途径是被用来降低DNA和RNA变形的能量成本，从而促进蛋白质的结合。

本次研究成果显示，核酸变形所依据的物理原理具有共通性，故能够应用于不同种类的核酸和环境刺激。

有份领导上述研究的城大物理学系副教授代亮教授总结了这次研究带来的突破。他说：“今次研究的发现，有助我们更好地理解细胞中DNA的包装以及相关的变形能量成本。研究结果也带来启示，让我们可更深入了解蛋白质如何识别DNA和RNA并引发变形，而这些正是基因表达和调控的关键步骤。”

上述研究成果以〈Universality in RNA and DNA Deformations Induced by Salt, Temperature Change, Stretching Force, and Protein Binding〉 为题，已于学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表。

此论文的第一作者是城大的田馥嘉以及武汉大学的张晨和周尔驰。通讯作者为城大物理学系代亮教授和武汉大学张兴华教授。研究主要经费来源为香港研究资助局和中国国家自然科学基金。