谢晓亮等研究揭示DNA别构效应

2013年2月15日，美国杂志《科学》(Science)发表了一篇名为《通过DNA探索变构》的研究报告，该报告通过单分子生物物理学和其他手段严格证实了DNA中变构效应的存在。这项研究揭示了DNA的一个新的基本性质，它不仅在物理学上非常有趣，而且具有重要的生理学意义。

这项工作是由哈佛大学研究团队、美国科学院院士、哈佛大学化学与化学生物学系教授、北京大学长江讲座教授谢晓亮、北京大学传记片孙玉杰/谢晓亮研究团队和苏晓东研究团队共同完成的。

变构效应广泛存在于蛋白质中，尤其是酶。变构效应是指与远离活性中心的变构位点结合的效应因子通过蛋白质的长程构象变化影响蛋白质功能(酶活性)的现象。作为遗传信息的载体，DNA上有许多特异的蛋白质结合位点。这些位点在结合蛋白质分子前后会有很大的构象变化。那么，DNA是否也像蛋白质一样具有变构效应，即两个蛋白质分子结合在同一条DNA双螺旋链上，通过DNA双螺旋的构象变化而不直接接触，从而影响其DNA结合能力？一个合理的期望是，DNA应该具有变构效应，但是这种效应还没有被常规方法观察到。

通过研究，谢晓亮等人揭示了上述预期的变构效应确实存在于双链DNA中。研究人员设计了一个双螺旋上两个蛋白质分子的结合位点，并调整了它们之间的DNA长度。通过单分子全内反射荧光显微镜可以观察到荧光标记的单个蛋白质分子从其DNA结合位点落下的速率，从而确定蛋白质分子与该位点的相对结合能力。实验表明，两种不同的DNA结合蛋白能够影响它们与DNA的结合能力，并且它们的变化随着两种蛋白之间的DNA链的长度而同时增加或减少，表现出一个周期性，大约为10个碱基对，正好是一个循环的DNA双螺旋，并且这种影响的幅度将随着两种蛋白之间距离的增加而减小。

研究人员进一步证实，这种效应不是由其他因素引起的(如蛋白质-蛋白质相互作用、静电相互作用等)。)而是通过各种对照实验和分子动力学模拟计算，由蛋白质与DNA结合引起的DNA双螺旋的构象变化，即DNA的变构效应。

DNA变构效应相对较大，约为5倍，由于传统谱系实验不够准确，这种效应一直无法测量。此外，脱氧核糖核酸的变构效应是脱氧核糖核酸的一个基本特性，不取决于蛋白质的性质和类型。由于许多脱氧核糖核酸结合蛋白，如转录因子和核糖核酸聚合酶，通常与脱氧核糖核酸紧密结合并协同发挥功能，现在有必要在理解基因调控时考虑这一效应。这项工作还将证明，DNA变构效应确实能影响活细胞中的基因表达，因此这种效应在生理学上是重要的。《科学》杂志在同一时期的评论中也指出，这种由双螺旋DNA引起的变构效应对基因调控具有深远的意义。