DNA的彈性性質(zhì)

1、DNA的彈性性質(zhì) 周子聰?shù)髮W(xué)物理系e-mail: .tw一. 引言基因時(shí)代的來(lái)臨引發(fā)了人們的無(wú)限聯(lián)想. 與一切疾病告別不再是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想. 更強(qiáng)壯更聰明的全新人類看來(lái)也指日可待. 生物科學(xué)的這場(chǎng)革命對(duì)我們這個(gè)世界將產(chǎn)生何種衝擊迄今仍難以估量, 因此大量的人力物力競(jìng)相投入到這個(gè)潛力無(wú)窮的領(lǐng)域中. 而作為遺傳基因載體的脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, 即DNA)理所當(dāng)然地成為人們關(guān)注的中心之一. 經(jīng)過(guò)幾代人的努力, DNA的化學(xué)成分已經(jīng)不再是個(gè)秘密. DNA的結(jié)構(gòu)序列也將因?yàn)楦鞣N基因工程的迅速進(jìn)展而在不遠(yuǎn)的將來(lái)被完全破解. 然而

2、對(duì)DNA結(jié)構(gòu)序列的意義以及對(duì)DNA複雜的物理化學(xué)性質(zhì)的完全了解仍然是人類面臨的一大挑戰(zhàn). 贏得這一挑戰(zhàn)也就意味著離開完全破譯生命的奧秘不遠(yuǎn)了. 從物理的角度, 我們希望了解各種外場(chǎng)對(duì)DNA的性質(zhì)和性能的影響; 我們也希望從微觀的角度了解何種相互作用力對(duì)DNA的某種性質(zhì)起決定性的影響; 我們還希望知道現(xiàn)有的理論和模型是否足以解釋DNA分子異乎尋常的性質(zhì). 更有樂(lè)觀者甚至預(yù)期這類生物相關(guān)的研究將導(dǎo)致另一次物理學(xué)的大突破.我們現(xiàn)在知道DNA, RNA (ribonucleic acid, 即核糖核酸)和蛋白質(zhì)構(gòu)成生命現(xiàn)象的基本要素.物種的遺傳信息儲(chǔ)存於DNA分子的核酸序列中. 在細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中

3、, 這些信息通過(guò)一種稱為轉(zhuǎn)錄的過(guò)程轉(zhuǎn)移到信使RNA(message RNA, 即mRNA)分子上. mRNA分子的信息再通過(guò)一種稱為翻譯的過(guò)程來(lái)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成. DNA由核苷酸所構(gòu)成, 而核苷酸則由磷酸、核醣與鹼基所組成. 組成各種核苷酸的磷酸與核醣基本上是相同的,但鹼基卻可能不同. 鹼基有4種, 分別是腺嘌呤(adenine)、鳥嘌呤(guanine)、胸腺嘧啶(thymine)、胞嘧啶(cytosine). 我們一般用它們英文的第一個(gè)字母即A、G、T、C來(lái)表示它們。眾多的核苷酸相互連接就形成了DNA長(zhǎng)鏈的骨架(backbone). 4種不同的鹼基之間, A和T間有較強(qiáng)的吸引力因此會(huì)彼此配

4、成鹼基對(duì)(basepair)；同樣的理由G與C亦會(huì)彼此配對(duì). 在DNA的結(jié)構(gòu)中, 這種鹼基間的配對(duì)導(dǎo)致兩股DNA互相吸引, 而形成如圖一所示的雙股螺旋結(jié)構(gòu). 這個(gè)DNA結(jié)構(gòu)於1953年由華生(Watson)與克里克(Crick)所提出1。由於其特有的雙股螺旋結(jié)構(gòu), DNA的形變和彈性性質(zhì)與其生物功能有直接的關(guān)係. 例如在DNA複製的過(guò)程中, 雙股螺旋必須反轉(zhuǎn)到局域上大致平直的狀態(tài), 爾後互補(bǔ)的鹼基之間的氫鍵被斷開以分開將被作為複製模版的兩股核苷酸鏈. 又如在DNA重組的反應(yīng)中, DNA必須被拉長(zhǎng)到其平直的雙股右旋螺旋態(tài)(即通常所稱的B形態(tài), 亦即B-form)的大約1.5倍長(zhǎng). 所以對(duì)DNA的

5、彈性性質(zhì)的研究是我們了解生物體的遺傳和演化的不可或缺的一環(huán).二. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 從DNA的構(gòu)型我們不難看到其線度和扭曲程度應(yīng)該是度量DNA形變的最重要的量. 因此相對(duì)伸長(zhǎng), 也就是DNA鏈的測(cè)量長(zhǎng)度與其B形態(tài)長(zhǎng)度的比值顯然是我們最關(guān)心的量之一. 為了度量鏈的扭曲, 我們通常引用三種量. 其一稱為環(huán)繞數(shù)(linking number或Lk), 亦即兩股鏈相互環(huán)繞的次數(shù). 對(duì)閉合的鏈Lk必須是個(gè)整數(shù)並且是個(gè)拓?fù)涑?shù), 即任意的連續(xù)形變不會(huì)改變其數(shù)值. 另一個(gè)量稱為扭轉(zhuǎn)數(shù)(twist或Tw), 它度量其中的某條鏈繞雙鏈軸線的扭轉(zhuǎn)程度, Tw=0給出兩條近乎平行的鏈. 第三個(gè)量稱為絞擰數(shù)(writhe或W

6、r), 對(duì)應(yīng)於雙鏈的平均軸線自我卷曲的程度, Wr=0給出平面曲線. 對(duì)閉合的鏈Tw和Wr可能都不是整數(shù), 但它們滿足Lk=Tw+Wr. 用r+和r-表示兩股鏈上任意點(diǎn)的座標(biāo), r表示雙鏈軸線上任意點(diǎn)的座標(biāo), 則Lk和Wr可以用下式來(lái)計(jì)算: (1)在實(shí)驗(yàn)中,人們經(jīng)常固定超螺旋度(Degree of supercoiling), 定義為=(Lk- Lk0)/ Lk0. 其中Lk0Nbp/10.5是B形態(tài)的環(huán)繞數(shù), Nbp是DNA鏈上鹼基對(duì)的總數(shù). 0的狀態(tài)被稱為過(guò)扭曲 (overtwisted) 態(tài), 而0對(duì)應(yīng)於DNA的右旋態(tài),0則對(duì)應(yīng)於左旋態(tài).衡量鹼基對(duì)相互作用強(qiáng)度, 從量子力學(xué)的計(jì)算取平均後

7、可得=14.0kBT.r0 =0.34/f=0 nm是DNA骨架在相鄰鹼基對(duì)之間的長(zhǎng)度, 其中 f=0給出DNA處?kù)禕形態(tài)時(shí)的摺疊角. R=10.50.34f=0/(2). 能量和扭轉(zhuǎn)數(shù)在這個(gè)模型中表示為 (6) (7) (8) (9)其中t1和t2分別是兩條骨架上的單位切向量;s是骨架的長(zhǎng)度. 和WLRC模型一樣, 這模型總共也有3個(gè)參數(shù), 在和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較後分別取為,lp=53/(2f=0) nm, f=0=0.5738和0=62o 17.18.我們可以看到這個(gè)模型里的V()應(yīng)該起WLRC中扭曲能的作用. 實(shí)際上注意到方程(3)和(8)的相似性, 令=並在V()的極小值附近展開V(), 我

8、們確實(shí)可以證明在相對(duì)於B形態(tài)偏離不遠(yuǎn), 亦即外力和外力矩都不是很強(qiáng)的條件下這兩個(gè)模型是等價(jià)的19. 由此我們可以斷定這個(gè)模型應(yīng)該自動(dòng)包含WLRC模型中的所有結(jié)果. 考慮到人們已經(jīng)在WLRC模型中做了多年的深入研究, 這個(gè)等價(jià)性的論證避免了大量的重複工作. 圖二和圖四給出了這個(gè)模型的主要的理論計(jì)算結(jié)果, 我們可以由此看到一直到很強(qiáng)外力的區(qū)域, 理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果符合得相當(dāng)好17,18,19. 作為第一個(gè)從比較微觀的角度來(lái)解釋DNA的彈性性質(zhì)的模型, ZZO模型的成功是相當(dāng)令人鼓舞的, 它說(shuō)明了鹼基對(duì)之間的相互作用可能對(duì)DNA的非同尋常的彈性性質(zhì)起著支配性的作用. 當(dāng)然這個(gè)模型仍然有其侷限性, 例如

9、() 的不對(duì)稱性仍然沒有一個(gè)很恰當(dāng)?shù)慕忉? 我們也可以預(yù)期它仍然難以解釋最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中在強(qiáng)力矩的情況下不只四個(gè)區(qū)的相對(duì)伸長(zhǎng)與外力的關(guān)係7.因此對(duì)這個(gè)模型的深入研究甚或進(jìn)一步推廣改進(jìn)將是很有意義的.3. 多形態(tài)模型 為了解釋強(qiáng)力矩條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果7, J. F. Lger等人推廣了WLRC模型而得到一個(gè)新的唯像模型. 能量在這個(gè)模型中被表示為7,8 (10)其中u是偏離B型態(tài)的脅變,; = Tw-Tw0是偏離B型態(tài)的扭轉(zhuǎn)數(shù); w, d, Ai, ,i, i, i, i=0,4對(duì)應(yīng)於實(shí)驗(yàn)所觀察到的DNA的五種形態(tài)(B, S, P, Z和sc-P), 是由比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而得的參數(shù). 該模型的參數(shù)多達(dá)

10、27個(gè), 不難預(yù)期其結(jié)果應(yīng)該和實(shí)驗(yàn)符合得較好7,8. 這個(gè)模型的主要意義在於告訴了我們?cè)趶?qiáng)外力和強(qiáng)外力矩的條件下必須特別注意哪些基本量. 但在這個(gè)模型中似乎有著太多的參數(shù), 而我們知道一個(gè)模型中有過(guò)多的參數(shù)可能會(huì)掩蓋其物理本質(zhì). 另外從這個(gè)模型中我們也仍然無(wú)以知道何種微觀相互作用力在形變中起主導(dǎo)作用. 還有, 這個(gè)模型的扭曲項(xiàng)仍然是對(duì)稱的, 因此我們不能期待對(duì)於過(guò)扭曲和不足扭曲它能得到不同的結(jié)果.四. 結(jié)語(yǔ)DNA的形變和彈性性質(zhì)代表了生物體對(duì)物理學(xué)的典型挑戰(zhàn): 儘管我們知道其詳細(xì)的化學(xué)成分和化學(xué)結(jié)構(gòu), 但是我們?nèi)匀浑y以完全解釋更無(wú)以預(yù)測(cè)其複雜的性質(zhì)和性能. 是否能用一個(gè)簡(jiǎn)單明了的模型來(lái)地描述所

11、有的實(shí)驗(yàn)觀察還是一個(gè)未定之?dāng)?shù). 如何從微觀相互作用的角度來(lái)理解DNA的彈性性質(zhì)也是一個(gè)未完全解決的問(wèn)題. 實(shí)驗(yàn)所觀察到的不對(duì)稱性的物理起源還有待於進(jìn)一步的探討. 另外, 迄今為止實(shí)驗(yàn)和理論都比較集中在DNA的靜態(tài)性質(zhì). 對(duì)於至少是同等重要的動(dòng)力學(xué)行為, 特別是在強(qiáng)外力條件下的動(dòng)力學(xué)行為仍然少有人涉及.特別值得一提的是, DNA的彈性性質(zhì)呈現(xiàn)了非常強(qiáng)的非線性現(xiàn)象. 一般而言, 對(duì)描述這種現(xiàn)象的理論模型的嚴(yán)格計(jì)算往往是非常困難的因而計(jì)算機(jī)模擬在這類問(wèn)題上往往有不可取代的作用.只是對(duì)此現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬仍不多見.五. 參考資料1. J.D. Watson, N.H. Hopkins, J.W. Rob

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13、ck, V. Croquette, and D. Bensimon, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 95 10 579 (1998).5. P. Cluzel, A. Lebrun, C. Heller, R. Lavery, J.L. Viovy, D. Chatenay, and F. Caron, Science 271, 792 (1996).6. S. B. Smith, Y. Cui, and C. Bustamante, ibid. 271, 795 (1996).7. J. F. Lger, J. Robert, L. Bourdieu, D. Ch

14、atenay, and J.F. Marko, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 95, 12295 (1998).8. J. F. Lger, G. Romano, A. Sarkar, J. Robert, L.Bourdieu, D. Chatenay, and J.F. Marko, Phys. Rev. Lett. 83, 1066(1999).9. A. Sarkar, J.F. Lger, D. Chatenay, and J.F. Marko, Phys. Rev. E 63, 051903(2001).10. C.J. Benham, Phys. Re

15、v. A 39, 2582(1989). 11. J.F. Marko and E.D. Sigga, Phys. Rev. E 52, 2912(1995).12. B. Fain, J. Rudnick, and S. stlund, Phys. Rev. E 55, 7364 (1997).13. J.F. Marko, Europhys. Lett. 38, 183 (1997); Phys. Rev. E 57, 2134 (1998).14. J.F. Marko, Phys. Rev. E 55, 1758(1997).15. C. Bouchiat and M. Mzard, Phys. Rev. Lett. 80, 1556 (1998).16. C. Bouchiat and M. Mzard, Euro. J. Phys. E., 2, 377 (2000).17. Zho