一种被忽视的神秘力量，是维持DNA结构的关键？
来源：中检健康
编辑：中检健康
时间：2019-10-08
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DNA 是让生物遗传性能相对稳定维持的重要存在，它携带有合成RNA、蛋白质所必须的遗传信息。上世纪50年代，科学家首次确认了DNA的双螺旋结构，这是20世纪生物科学领域中最伟大的发现之一。DNA由两条以 脱氧核糖 分子和 磷酸基 组成的链构成的聚合分子，在两条链之间存在着 含氮碱基 ，碱基对之间存在着 氢键 。
对DNA来说，双螺旋结构的稳固是他能够安全地储存遗传信息的先决条件。一直以来，科学家都在研究它的各个部分究竟是如何组合在一起的。关于DNA是如何将两条链结合在一起的一种主流观点是， 氢键 是主要用于稳定双螺旋结构的力量 。
然而一项新的研究表明，将DNA的双螺旋结构维系在一起的可能是另一种力量。 这项推翻了主流理论的研究认为，虽然氢键会在一定程度上维系DNA的双螺旋结构，但它更主要的作用似乎是对碱基对的排序，使碱基对能以正确的顺序连接在一起，而维系这种结构的一个关键所在是 疏水力 ：DNA分子的内部可能具有疏水性，而它们所在的环境主要由水构成，因此DNA中的疏水含氮碱基会推开周围的水。
这一研究结果被发表在了《美国国家科学院院刊》 （PNAS） 上，它对于理解DNA与其环境的关系至关重要，也为理解医学和生命科学研究打开了新的大门。
DNA 是让生物遗传性能相对稳定维持的重要存在，它携带有合成RNA、蛋白质所必须的遗传信息。上世纪50年代，科学家首次确认了DNA的双螺旋结构，这是20世纪生物科学领域中最伟大的发现之一。DNA由两条以 脱氧核糖 分子和 磷酸基 组成的链构成的聚合分子，在两条链之间存在着 含氮碱基 ，碱基对之间存在着 氢键 。
对DNA来说，双螺旋结构的稳固是他能够安全地储存遗传信息的先决条件。一直以来，科学家都在研究它的各个部分究竟是如何组合在一起的。关于DNA是如何将两条链结合在一起的一种主流观点是， 氢键 是主要用于稳定双螺旋结构的力量 。
然而一项新的研究表明，将DNA的双螺旋结构维系在一起的可能是另一种力量。 这项推翻了主流理论的研究认为，虽然氢键会在一定程度上维系DNA的双螺旋结构，但它更主要的作用似乎是对碱基对的排序，使碱基对能以正确的顺序连接在一起，而维系这种结构的一个关键所在是 疏水力 ：DNA分子的内部可能具有疏水性，而它们所在的环境主要由水构成，因此DNA中的疏水含氮碱基会推开周围的水。
这一研究结果被发表在了《美国国家科学院院刊》 （PNAS） 上，它对于理解DNA与其环境的关系至关重要，也为理解医学和生命科学研究打开了新的大门。
当DNA要进行读取、复制或修复过程时，它必须先将双螺旋链打开，这是当细胞用催化蛋白在分子周围创造疏水环境时会出现的情况。| 图片来源：Yen Strandqvist
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DNA分子中的疏水性相互作用并不是一个全新的概念， 早在1997年就有科学家质疑单靠氢键就能使DNA双螺旋结构的两条链维持在一起的观点。 到了2004年，有研究发现氢键对碱基对的稳定性似乎并不那么不可或缺。 2017年，一项研究表明，氢键的缺席并不会真的对细胞造成困扰，只要有疏水性作用力的存在，使用合成的碱基对也能让DNA成功地进行转录和翻译。
Bobo Feng 是这次新论文的第一作者，他说：“细胞想要保护它们的DNA，而不是将其暴露在有可能含有有害分子的疏水环境中。”但与此同时，细胞的DNA需要打开才能使用，因此在大部分的时间内，细胞都会将DNA在水溶液中保护起来，但一旦需要用DNA来进行读取、复制或修复任务时，细胞就会将它暴露在疏水环境中。
例如在复制过程中， DNA分子中的氢键会在几种酶的作用下断开，然后解开螺旋的两条链就会各自进行复制以产生新的DNA。 然而事实证明，这并不是破坏双螺旋稳定结构的唯一途径。 在新的实验中，研究人员发现在比正常环境更疏水的环境中，疏水性就足以独自解开双螺旋。
换句话说，由于DNA的含氮碱基本身就是疏水的，因此在正常的水溶液 （亲水环境） 中，这些碱基会聚集在一起，以尽量减少暴露在水中。他们使用疏水溶液聚乙二醇，一步一步地将DNA的环境从自然亲水改变为疏水环境，目的是想要发现是否存在一个让DNA开始丧失其结构的极限，当环境不再亲水时，DNA便不再具有结合的理由。研究人员观测到，当溶液达到亲水和疏水的边界时，DNA分子特有的螺旋状结构开始瓦解。
经过更仔细的观察，他们发现当碱基对在外部影响，或者一些随机运动的影响下彼此分开时，结构中就会有可以让水流进去的小孔形成。因为DNA想要保持其内部的干燥，所以它会挤压在一起，让碱基对再次聚集在一起将水挤出。在疏水环境中，这些水是缺失的，所以这些 洞还 会留在原地。
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当需要修复受损的DNA时，受损区域会受疏水环境的影响，需要被替换。 催化蛋白 可以创造出疏水的环境，它也是所有DNA修复过程的核心所在，这意味着它可能是对抗许多严重疾病的关键。理解这些蛋白质的作用有助于为我们在对抗抗药菌，或者治愈癌症方面获得更多新的见解。
比如研究人员知道，细菌会利用一种名为RecA的蛋白质来修复它们的DNA，而新的研究结果或许能够通过更好地理解细菌修复DNA的工作原理，发展出可以阻止这一修复过程的方法，从而彻底将细菌杀死。
在人类细胞中， 有一种名为Rad51的蛋白质可以修复可以修复DNA ，并修复可能会导致癌症的变异DNA序列。Bobo Feng说：“要了解癌症，我们必须要了解DNA是如何修复自身的。到目前为止，我们还没有真的了解这个问题，因为我们一直以为是氢键将DNA结合在一起的。现在，我们已经证明了在背后发挥作用的其实是它的疏水性。我们还证明了DNA在疏水环境中的行为完全不同。这有助于我们了解DNA以及它是如何修复的。在此之前还没有人将DNA置于这样的疏水环境中并研究它们的行为，所以到目前为止都没人发现这一点也就不足为奇了。”
参考链接：
[1] https://www.chalmers.se/en/departments/chem/news/Pages/DNA-held-together.aspx
[2] https://www.pnas.org/content/116/35/17169
[3] https://www.sciencealert.com/scientists-discover-a-new-way-to-open-up-dna-s-double-helix-for-replication-and-repair
文章来源：原理
DNA分子中的疏水性相互作用并不是一个全新的概念， 早在1997年就有科学家质疑单靠氢键就能使DNA双螺旋结构的两条链维持在一起的观点。 到了2004年，有研究发现氢键对碱基对的稳定性似乎并不那么不可或缺。 2017年，一项研究表明，氢键的缺席并不会真的对细胞造成困扰，只要有疏水性作用力的存在，使用合成的碱基对也能让DNA成功地进行转录和翻译。
Bobo Feng 是这次新论文的第一作者，他说：“细胞想要保护它们的DNA，而不是将其暴露在有可能含有有害分子的疏水环境中。”但与此同时，细胞的DNA需要打开才能使用，因此在大部分的时间内，细胞都会将DNA在水溶液中保护起来，但一旦需要用DNA来进行读取、复制或修复任务时，细胞就会将它暴露在疏水环境中。
例如在复制过程中， DNA分子中的氢键会在几种酶的作用下断开，然后解开螺旋的两条链就会各自进行复制以产生新的DNA。 然而事实证明，这并不是破坏双螺旋稳定结构的唯一途径。 在新的实验中，研究人员发现在比正常环境更疏水的环境中，疏水性就足以独自解开双螺旋。
换句话说，由于DNA的含氮碱基本身就是疏水的，因此在正常的水溶液 （亲水环境） 中，这些碱基会聚集在一起，以尽量减少暴露在水中。他们使用疏水溶液聚乙二醇，一步一步地将DNA的环境从自然亲水改变为疏水环境，目的是想要发现是否存在一个让DNA开始丧失其结构的极限，当环境不再亲水时，DNA便不再具有结合的理由。研究人员观测到，当溶液达到亲水和疏水的边界时，DNA分子特有的螺旋状结构开始瓦解。
经过更仔细的观察，他们发现当碱基对在外部影响，或者一些随机运动的影响下彼此分开时，结构中就会有可以让水流进去的小孔形成。因为DNA想要保持其内部的干燥，所以它会挤压在一起，让碱基对再次聚集在一起将水挤出。在疏水环境中，这些水是缺失的，所以这些 洞还 会留在原地。
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当需要修复受损的DNA时，受损区域会受疏水环境的影响，需要被替换。 催化蛋白 可以创造出疏水的环境，它也是所有DNA修复过程的核心所在，这意味着它可能是对抗许多严重疾病的关键。理解这些蛋白质的作用有助于为我们在对抗抗药菌，或者治愈癌症方面获得更多新的见解。
比如研究人员知道，细菌会利用一种名为RecA的蛋白质来修复它们的DNA，而新的研究结果或许能够通过更好地理解细菌修复DNA的工作原理，发展出可以阻止这一修复过程的方法，从而彻底将细菌杀死。
在人类细胞中， 有一种名为Rad51的蛋白质可以修复可以修复DNA ，并修复可能会导致癌症的变异DNA序列。Bobo Feng说：“要了解癌症，我们必须要了解DNA是如何修复自身的。到目前为止，我们还没有真的了解这个问题，因为我们一直以为是氢键将DNA结合在一起的。现在，我们已经证明了在背后发挥作用的其实是它的疏水性。我们还证明了DNA在疏水环境中的行为完全不同。这有助于我们了解DNA以及它是如何修复的。在此之前还没有人将DNA置于这样的疏水环境中并研究它们的行为，所以到目前为止都没人发现这一点也就不足为奇了。”
参考链接：
[1] https://www.chalmers.se/en/departments/chem/news/Pages/DNA-held-together.aspx
[2] https://www.pnas.org/content/116/35/17169
[3] https://www.sciencealert.com/scientists-discover-a-new-way-to-open-up-dna-s-double-helix-for-replication-and-repair
文章来源：原理
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