進展｜超高精度單分子螢光研究分子馬達步進機理

從測量的角度看， 實驗科學的發展其實就是一個不斷提高測量精度的過程。 精度提高一步， 科學就前進一步。 這一點在分子生物物理中也不例外。 有一類生物分子， 一般稱為分子馬達， 利用 ATP 水解產生的能量做軌道運動， 完成其重要功能。

以 DNA 解旋酶為例， 一般的理解是：解旋酶消耗一個 ATP， 打開一對堿基， 並沿著 DNA 向前移動一步。 要定量刻畫解旋酶的分子機理， 測量精度至少要達到 0.3 nm， 這是 DNA 雙螺旋中堿基對之間的最小距離。 單分子螢光共振能量轉移（FRET）是研究解旋酶分子機理的重要工具， 它應用偶極子之間相互作用對距離敏感的原理，

測量分子馬達的運動。 理論上講， FRET 可以測量 0.1 nm 的距離變化。 然而， 當將 FRET 應用於 DNA 雙鏈的解旋研究時， 很少能在室溫下的水溶液中逼近這一極限， 以至於很難區分本來應該有很大差別的解旋酶（圖1a）。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）軟物質與生物物理實驗室李明研究組多年來致力於發展單分子技術研究生物大分子的動力學， 在DNA凝聚和染色質組裝（JACS 2006， PRL 2012， JACS 2013， Mol. Cell 2016）、分子馬達（EMBO J. 2009， NAR 2014， NAR 2015）以及膜蛋白動力學（Nature Comm. 2016）等諸多方面取得了系列成果。 這些研究的主線是通過高精度的單分子測量獲取生物大分子的精細動力學資訊。 最近， 該研究組的陸穎副研究員與博士生林文霞、馬建兵等又將單分子螢光的測量精度提高了一大步。

他們根據彈性力學計算， 設計了一種稱為“納米張力器（nanotensioner）”的 DNA 結構， 將一小段 DNA 彎成一張弓， 利用 DNA雙 螺旋結構的彎曲彈性， 將張力直接作用於待解開的 DNA 雙鏈岔口， 將 DNA 單鏈撐開並抑制其熱漲落（圖1b）。

圖1. （a）常規FRET實驗中用帶自由單鏈的DNA分岔結構作為底物，

兩個螢光分子的間距增加一個堿基對時， FRET效率只改變0.04。 （b）用DNA張力器將自由單鏈撐開， 兩個螢光分子的距離增加一個堿基對時， FRET效率改變0.13。 （c）常規FRET實驗中， Pif1與RecQ的解旋資料類似， 無法區分。 （d）高精度實驗中， 兩個解旋酶表現出完全不同的動力學性質。

他們將該方法應用於研究人源Pif1和大腸桿菌RecQ解旋酶。 以往由於精度有限而看起來相似的解旋信號在新實驗中表現得迥然不同。 當然， 表觀上的不同並不意味著這些解旋酶完全不相干。 高精度下測得的不同點， 實際上隱含著更深層次的共同點。 基於這個思路， 他們提出了一個帶普適意味的分子模型：解旋酶一次消耗一個ATP， 破壞一對堿基的氫鍵；Pif1的氫鍵斷裂與堿基釋放同步，

看起來一次解開一對堿基；RecQ的氫鍵斷裂與堿基釋放不同步， 看起來一次解開隨機個數的堿基對。 該普適模型可以更準確更細緻地刻畫多種解旋酶的結構與功能的關係（圖2）， 加深了我們對分子馬達的理解。 這一研究成果發表在最新一期Physical Review Letters（PRL 119, 138102 (2017)）上。

圖2. （a）基於高精度實驗結果提出的解旋酶的普適解旋模型：解旋酶消耗一個ATP， 破壞一對堿基的氫鍵， 但並不立即釋放打開的堿基。 不同的解旋酶釋放堿基的速率依賴於其自身的結構， 產生不同的表觀解旋動力學特徵。 （b）模特卡羅模擬表明， 通過調節堿基釋放的速率， 該普適模型可以解釋Pif1和RecQ不同的解旋步進（左列）及其在每一步的等待時間（右列）的統計分佈規律。

該工作得到了國家自然科學基金委（11674382, 11574382, 11574381）， 中國科學院前沿科學重點專案（QYZDJ-SSW-SYS014）以及中國科學院青年創新促進會的大力支持。

編輯：Cloudiiink

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