酶对核酸进行化学修饰的动力学机理

All cells in a living organism share an identical genomic DNA sequence. The status and developing fate of each individual cell cannot be explained by the "central dogma" alone. The chemical modifications on biomacromolecules play key roles in defining cell status and determining cell fate. The study of chemical modification of biomacromolecules has great biological significance. This project is deviced to investigate the reversible chemical modification of nucleic acid (DNA and RNA). Due to previously limited research tools, the study on the dynamic mechanism of chemical modification on nucleic acid is still on a rudimentary stage. We will combine advanced experimental (mainly single molecule detection) with theoretical (mainly molecular dynamics simulation) tools together to explore deeply the dynamic and molecular mechanism of chemical modification on nucleic acid by enzymes: how and how fast do the enzymes find the location they act on? How and how fast do the enzymes carry out the chemical modification? These studies will help us to understand the chemical basis of relevant biomolecular reactions.

生命个体的发育主要取决于遗传基因DNA序列，但其复杂性和多样性不能仅由生物学"中心法则"解释。在生命个体的发育过程中生物大分子的化学修饰对决定细胞命运起着关键的调控作用。具有遗传性的生物大分子化学修饰的研究是当前生命科学研究的一个前沿课题。本申请的研究内容是酶对核酸（DNA和RNA）进行化学修饰和去修饰的动力学机理。由于以前研究手段的制约，关于核酸化学修饰动力学机理的研究尚处在初期。我们拟将实验（单分子探测）和理论（分子动力学模拟）结合在一起，采用先进的研究手段深入探究酶对核酸进行化学修饰的动力学过程，以便清楚地了解酶如何和以多快的速率发现被修饰和去修饰的位点，以及酶在发现位点后对其进行化学修饰的分子机制和反应动力学。这些研究将揭示相关生物分子反应的化学本质，有助于更深刻地认识相应的生物过程。

核酸的化学修饰是当前生命科学研究的一个前沿课题。本项目旨在将实验（单分子探测）和理论（分子动力学模拟）结合在一起，采用先进的研究手段深入探究酶对核酸进行化学修饰的动力学过程，以便清楚地了解酶如何和以多快的速率发现被修饰和去修饰的位点，以及酶在发现位点后对其进行化学修饰的分子机制和反应动力学。同时发展适用于复杂生物体系多尺度研究的实验技术和理论方法。我们研究了与酶发现被修饰位点的机理密切相关的碱基翻转和去甲基化酶AlkD在双链DNA上一维扩散的动力学机理，研究了甲基化酶M. HhaI结合底物DNA前后结构的变化，研究了假尿嘧啶生成酶将尿嘧啶转变为假尿嘧啶和拓扑异构酶使双链DNA拓扑异构化的动力学机理；针对传统分子动力学难以高效模拟复杂生物体系的问题，大力发展了高效的增强抽样模拟方法，在此新方法的基础上在理论和实验之间搭建桥梁，回答了核酸化学修饰中的一些重要问题；在更为精细的尺度上，为了研究核酸碱基修饰和切除的反应机理，我们还进一步发展了选择性温度积分增强抽样方法，将QM/MM计算方法和增强抽样方法有机结合起来；我们也发展了染色质结构的粗粒化模型，从而能从染色质尺度对核酸的化学修饰在遗传中的作用进行研究；我们针对传统荧光相关谱 (FCS) 技术和理论存在着无法研究慢于毫秒的反应和无法确定荧光相对亮度两大难题，发明了扫描单分子FCS，实现从微秒到秒过程的同时探测，推导出结合二阶和三阶FCS唯一确定荧光相对亮度的公式，圆满解决了上述两大难题。项目按计划完成任务，发表SCI论文26篇，博士毕业12人。