单分子方法研究抗癌药物与生物大分子的相互作用动力学

Recently, with the development of single molecule manipulation method, such as optical tweezer, magnetic tweezer and atomic force microscope (AFM), more and more dynamic behavior of biomacromolecules are revealed. These researches greatly enriched our knowledge of life phenomena in the microcosmic scale. The characteristic of these physical methods is to find general roles from complicated systems, and being of universality, quantitativeness and high precision. Although platinum anticancer drugs, such as cisplatin, are widely used clinical medicines for the treatment of malignant tumor, but the microcosmic mechanism that how they work is unclear. In this project, based on our previous study of interaction between cisplatin and DNA, with single molecule method, we will further study the interaction dynamics among platinum anticancer drugs, DNA and nucleosome. We will use magnetic tweezer and atomic force microscope to study the persistence length, contour length, conformation variation, etc. of DNA affected by the second or third generation platinum anticancer drugs (e.g. oxaliplatin). We will also observe the combination effect of these drugs to reveal the physical interaction mechanism of these molecules. Furthermore, we will study the effect of these drugs on the interaction between histones and DNA in order to reveal the effect of platinum anticancer drugs on the nucleosome structure which is vitally important in gene regulation.

近年来，随着光镊、磁镊、原子力显微镜(AFM)等单分子微操纵手段的发展，越来越多的生物大分子运动规律被揭示出来，极大加深了人们对于生命现象的微观认识。这些物理学研究方法的特点是从复杂的万象中找出普遍的规律，这样的运动规律具有很强的普适性、定量性和精确性。铂类抗癌药物（例如顺铂）虽然已经被广泛应用于肿瘤的临床治疗，但其微观作用机制还远没有完全明了。本项目将在我们研究顺铂与DNA作用的基础上，进一步利用单分子方法研究这类药物与DNA以及核小体的相互作用动力学。我们将利用磁镊、AFM等手段精确定量地揭示第二、第三代铂类药物（例如奥沙利铂）对DNA驻留长度、轮廓长度、构象变化等物理形态的影响，并且观察这些药物之间的协同作用，揭示这些分子间相互作用的物理机制。我们还将研究药物对于组蛋白与DNA相互作用的影响，有望将铂类药物对于核小体这一重要结构的影响揭示出来。

近年来，随着光镊、磁镊、原子力显微镜(AFM)等单分子微操纵手段的发展，越来越多的生物大分子运动规律被揭示出来，极大加深了人们对于生命现象的微观认识。这些物理学研究方法的特点是从复杂的万象中找出普遍的规律，这样的运动规律具有很强的普适性、定量性和精确性。铂类抗癌药物（例如顺铂）虽然已经被广泛应用于肿瘤的临床治疗，但其微观作用机制还远没有完全明了。通过本项目，在单个DNA分子和活肿瘤细胞中，我们观察到了在DNA顺铂加合物附近反铂能够有效地交联DNA；利用磁镊研究了单个的人类端粒G-四链的折叠动力学；利用磁镊和原子力显微镜研究了奥沙利铂(Pt(R,R-DACH))和它的对映体(Pt(S,S-DACH))与DNA的作用动力学；利用原子力显微镜定量研究了顺铂对环形DNA的影响；开发了一套方法处理AFM图像；我们用磁镊测量了与舒铂(RR)或其异构体(SS)培育的DNA的伸展长度随时间的变化；在扭转约束条件下，我们研究了DNA与奥沙利铂的相互作用；提出了一种快速测量细胞内扩散分布的新方法，该方法基于活细胞内的单分子荧光跟踪技术，通过同时跟踪多个量子点荧光探针在单个细胞内的运动轨迹，进而由针对该轨迹的动力学分析得到细胞内每个位点的扩散速度；利用氮化硅纳米孔研究了DNA和顺铂的相互作用，实时观测到了顺铂的结合对DNA分子穿孔运动的影响过程；发现了环形质粒DNA在铂类药物（顺铂，反铂）协同作用下盘绕成双重螺线圈的奇异现象；利用单分子磁镊研究了顺铂对人类端粒G四链体的折叠动力学的影响，发现对于不同的顺铂浓度，顺铂和G四链体有两种不同的竞争性相互作用；利用单分子方法研究了染色质的组装和拆解动力学并且揭示了组蛋白伴侣FACT以及组蛋白H1在影响染色质的四核小体单元稳定性中的重要作用。通过这些研究，我们精确定量地揭示了铂类抗癌药物对DNA驻留长度、轮廓长度、构象变化等物理形态的影响，并且揭示了药物之间的协同作用以及这些分子间相互作用的物理机制。