实用新技术揭示端粒四链DNA的结构动态

　　

生物通报道：端粒是染色体末端的保护性结构，研究衰老和癌症的生物医学研究者们对端粒有着浓厚的兴趣。加州大学Santa Cruz分校的科学家们使用新技术揭示了端粒的结构和力学特性，这一研究将有助于新抗癌药物的研发。

端粒是位于染色体末端起保护功能的长重复DNA序列。随着细胞分裂端粒会逐渐缩短，直到细胞停止分裂。不过，端粒酶能够延伸端粒长度，在干细胞这些能无限分裂的细胞中端粒酶特别活跃。同时，人们也发现绝大多数肿瘤细胞都表现出较高的端粒酶活性。

加州大学Santa Cruz分校化学与生化助理教授Michael Stone介绍到，他们实验室对端粒尾端的G-四链体结构（G-quadruplex DNA）特别感兴趣，因为这一结构在调节端粒酶活性中有着关键作用。这项研究旨在分析G-四链体的折叠与解折叠。

“绝大多数癌细胞用端粒酶作为其不可控生长的维持机制，因此端粒酶也是抗癌治疗的重要靶标，”Stone说。“端粒DNA的G-四链体结构能够抑制端粒酶的功能，因此我们希望了解这一结构的力学稳定性。”

研究人员采用新技术在G-四链体的解折叠过程中对单个DNA分子进行操纵和监控。他们使用“磁钳”系统来拉伸DNA分子，并用荧光显微镜技术检测DNA中的微小结构变化。该文章发表在Nucleic Acids Research杂志上，展现了G-四链体的解折叠机制，文章的第一作者是Stone实验室的研究生Xi Long。

“与其它DNA结构不同，G-四链体相当脆弱，很小的干扰就会使其瓦解，” Stone说。“我们还发现G-四链体的解折叠状态也是高度紧密地构造，说明其仍倾向于折叠反应。”

研究人员认为，这一发现不仅为端粒相关蛋白/酶的分子机制带来了启示，也有助于合理设计抗癌药物。那些能结合端粒DNA G-四链体并使其稳定的小分子，将有望成为新的抗癌药物。

Stone指出将荧光检测与磁钳结合起来，是监测DNA结构动态的有效方法，而且这作为一种生物物理学技术并不难实施。他们研究的是人类端粒DNA中含有G-四链体序列的片段，这段DNA一端附着在载玻片上，另一端附着在小磁珠上。而位于样品上方的磁铁吸引磁珠，对DNA分子施加适当的拉力。

同时，研究人员通过单分子荧光共振能量转移FRET（Förster resonance energy transfer）来监控DNA中小规模的结构改变。“我们把单分子荧光共振能量转移FRET当作分子尺，” Stone说。当能量从一个荧光染料分子转移到另一个染料分子时，就可以实时检测能量转移的效率。这些染料分子能够在特定位点与DNA分子直接偶联，使人们得以在磁钳操作时监测系统的分子动态。

“这一技术并不需要专家来操作，可以很容易地推广开来，广泛应用于类似研究，” Stone说。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Mechanical unfolding of human telomere G-quadruplex DNA probed by integrated fluorescence and magnetic tweezers spectroscopy

Single-molecule techniques facilitate analysis of mechanical transitions within nucleic acids and proteins. Here, we describe an integrated fluorescence and magnetic tweezers instrument that permits detection of nanometer-scale DNA structural rearrangements together with the application of a wide range of stretching forces to individual DNA molecules. We have analyzed the force-dependent equilibrium and rate constants for telomere DNA G-quadruplex (GQ) folding and unfolding, and have determined the location of the transition state barrier along the well-defined DNA-stretching reaction coordinate. Our results reveal the mechanical unfolding pathway of the telomere DNA GQ is characterized by a short distance (<1 nm) to the transition state for the unfolding reaction. This mechanical unfolding response reflects a critical contribution of long-range interactions to the global stability of the GQ fold, and suggests that telomere-associated proteins need only disrupt a few base pairs to destabilize GQ structures. Comparison of the GQ unfolded state with a single-stranded polyT DNA revealed the unfolded GQ exhibits a compacted non-native conformation reminiscent of the protein molten globule. We expect the capacity to interrogate macromolecular structural transitions with high spatial resolution under conditions of low forces will have broad application in analyses of nucleic acid and protein folding.