城大學者揭開了DNA和RNA變形機制的奧秘
image: 研究中發現的RNA和DNA共通變形途徑。 view more
Credit: Tian et al., https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2218425120
DNA和RNA是核酸的兩種主要類型，也是構建生命的最基本單位，但它們很容易受到環境刺激的影響，從而發生變形、彎曲或扭曲。這種核酸變形會嚴重影響基因調控和蛋白質功能，但傳統技術難以對這些變形進行準確的測量。最近，香港城市大學（城大）物理學家有份共同領導的一個科研團隊，便成功精確地測量了鹽分、溫度變化和拉伸力所引起的核酸變化，有助於揭示DNA和RNA變形的共通機制。
雖然DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）的變形具有重要的生物學意義，但一直以來，由於精確測量核酸變形的難度極高，加上核酸之間相互作用的複雜性，令科學界對它們的了解十分有限。為了克服這兩大困難，由城大和武漢大學科學家領導的研究團隊採用了實驗、模擬和理論相結合的方法，終揭開了DNA和RNA變形共通性的秘密。
今次研究取得成功的關鍵，在於一種名為「磁力鑷子」（magnetic tweezers）的準確測量工具。磁力鑷子是生物物理學和分子生物學中一種強大的精密實驗技術，可用於研究DNA、RNA和蛋白質等生物分子的機械特性。在磁力鑷子的實驗中，一粒微小的磁珠會吸附於被研究的分子之上，然後研究人員可利用磁場來操控磁珠的位置。
通過仔細測量磁珠的移動，研究人員能夠研究分子的機械特性，例如其彈性、硬度和對外力的反應。這正好可應用於測量由環境刺激引起的DNA和RNA的微小扭曲變化，因為即使只是極微小的核酸扭曲變化，也可以沿著DNA或 RNA長長的分子累積起來，導致DNA或RNA末端出現大幅度的旋轉，遂能夠被測量得到。
在今次研究裡，科研人員在實驗中便採用了磁力鑷子，精確地測量由鹽分、溫度變化和拉伸引起的DNA和RNA扭曲變化。
科研團隊通過實驗，量化了「DNA扭曲-直徑耦合常數」以及「RNA扭曲-溝槽耦合常數」，並使用了耦合常數來解釋了DNA和RNA的變形。團隊透過將上述實驗結果與電腦模擬、理論和之前的其他研究成果相結合，結果成功發現了由鹽分、溫度變化和拉伸力引起的DNA和RNA變形機制，原來是由兩個共通的途徑驅動：即DNA的「扭曲-直徑耦合」以及RNA的「扭曲-溝槽」耦合。
以DNA來說，來自環境的刺激通常首先會改變DNA的直徑，然後通過DNA扭曲與DNA直徑之間的強耦合引發了扭曲變化；但對於RNA而言，若降低鹽分濃度或升高溫度，則會「解開」了RNA，因為這會擴大了RNA主溝槽的寬度以及導致核酸減少扭曲，故此被稱為「扭曲-溝槽耦合」。
通過分析過往其他與蛋白質結合有關的研究數據，科研團隊進一步發現，當蛋白質的結合引發核酸變形時，無論是DNA或RNA均會依循相同的共通途徑去變形。這表明這兩種途徑是被用來降低DNA和RNA變形的能量成本，從而促進蛋白質的結合。
今次的研究成果顯示，核酸變形所依據的物理原理具有共通性，故能夠應用於不同種類的核酸和環境刺激。
有份領導上述研究的城大物理學系副教授代亮教授總結了今次研究帶來的突破。他說：「今次研究的發現，有助我們更好地理解細胞中DNA的包裝以及相關的變形能量成本。研究結果也帶來啟示，讓我們可更深入了解蛋白質如何識別DNA和RNA並引發變形，而這些正是基因表達和調控的關鍵步驟。」
上述研究成果以〈Universality in RNA and DNA Deformations Induced by Salt, Temperature Change, Stretching Force, and Protein Binding〉 為題，已於學術期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表。
此論文的第一作者是城大的田馥嘉以及武漢大學的張晨和周爾馳。通訊作者為城大物理學系代亮教授和武漢大學張興華教授。研究主要經費來源為香港研究資助局和中國國家自然科學基金。