DNA和镁之间的秘密相互作用：细胞适应性和弹性的关键

　　

在一项可能重新定义我们如何理解细胞弹性和适应性的发现中，斯克里普斯研究所的科学家们解开了一种被称为聚磷酸盐（polyP）的原始无机磷酸盐聚合物与生命的两个基本组成部分：DNA和元素镁之间的秘密相互作用。这些成分形成了微小的液滴簇，也被称为凝聚物，具有灵活和适应性的结构。

polyP和镁参与了许多生物过程。因此，这些发现可能会导致调节细胞反应的新方法，这可能在转化医学中有重要的应用。

随后的研究发表在2024年10月26日的《Nature Communications》上，揭示了一个微妙的“金发姑娘”地带——一个特定的镁浓度范围——DNA包裹在聚镁离子凝聚物周围。类似于覆盖着液体状内部的薄蛋壳，这种看似简单的结构可能有助于细胞组织和保护它们的遗传物质。

这项工作开始于共同资深作者之间的合作，副教授Lisa Racki博士和教授Ashok Deniz博士，都在斯克里普斯研究所的综合结构和计算生物学部门。Racki一直在研究细菌细胞中的这些结构，而德尼兹的隔壁实验室在过去的十年里一直在探索生物分子凝聚物的物理化学。他们意识到，合作是解开这些古老互动的唯一途径。

Racki说：“我们知道DNA与细胞中富含镁的polyP凝聚物非常接近，但我们对显微镜下发光的美丽DNA球体感到非常惊讶。”

斯克里普斯研究所综合结构和计算生物学系Ashok Deniz教授说：“作为分子侦探，看到这些结构给我们提出了令人兴奋的问题，关于DNA外壳的物理和数学，以及它们是否影响了polyP凝聚体。”

他们的显微镜图像显示，DNA将自身包裹在一种凝聚物周围，形成一层薄薄的蛋壳状屏障。这个壳层可能会影响分子的运输，也会减缓聚变：两种凝聚物合二为一的过程。没有DNA外壳，聚镁离子就很容易凝聚在一起，就像沙拉酱瓶里的油滴和醋在摇晃时融合在一起一样。

然而，仔细的检查表明，融合总体上减慢了不同程度，这取决于DNA的长度。研究人员怀疑，较长的DNA会在凝结水表面造成更大的缠结，就像长发比短发更容易缠结一样。

DNA的直径比凝聚物薄1000多倍，这使得分子细节难以可视化。幸运的是，捕捉这种图像的基础设施已经由斯克里普斯研究所的另外两位教职员工开发出来：助理教授Danielle Grotjahn博士和斯克里普斯研究员Donghyun Raphael Park博士。

在Grotjahn的帮助下，研究人员与Park合作，使用低温电子断层扫描来仔细检查凝聚物表面。利用电子而不是光，这项技术可以捕捉到样品的三维高分辨率图像，这些样品被快速冷冻以保存其结构。新的图像显示，DNA形成了从凝聚物表面突出的细丝，类似于缠结的毛发。

另一个重要的发现是：DNA壳的形成只发生在一个特定的镁浓度范围内——太多或太少，壳都不会形成。这种“金发姑娘”效应强调了细胞如何通过调整控制参数来调节凝聚物的结构、大小和功能。

“虽然我们认为细胞界面是边界，但它们也通过提供分子组织的表面创造了一个新的景观，”Racki指出。“DNA表面上可能并不是乱七八糟的，而是由这些凝聚物组织起来的。”

在这种背景下，Deniz和Racki对理解DNA的超缠绕特别感兴趣，即DNA如何像弹簧一样扭曲以适应细胞内部。

“细胞必须管理它们的DNA卷曲，”Racki解释说。“有趣的是，DNA超卷曲的数学结果导致了‘超距离作用’效应，就像拧绳子如何在远离你握住它的地方产生线圈一样。”

研究人员怀疑，DNA与细胞内polyP凝聚物的相互作用可能会在长距离上传播DNA超螺旋的局部变化，从而导致基因表达和细胞功能的更广泛变化。研究这种效应是该团队的下一个目标之一。

Deniz说：“我们对利用这些发现开发细胞控制新工具的前景感到兴奋，这可能是更简单、更经济的方法来管理生物医学中的生物物质。”