过度拉伸的DNA的微观结构与稳定性的动力学研究

Deoxyribonucleic acid (DNA), the most fundamental building block of life, stores the genetic codes for all living organism. Mediated by mechanical forces, various reorganizations of DNA comformations are not only the structural basis for it to perform multiple biological functions, but also ideal building units for biological nano-devices. Therefore, to explore the microscopic structures and the stabilities of various DNA conformations has always been an important task in the field of Biophysics. Therefore, this project focuses on the microscopic structures and the stabilities of three overstretched DNAs induced by mechanical forces. Combined with kinetic Monte Carlo simulation and high-resolution single molecule technique, this project intends to build kinetic models for three different DNA overstretching transition types, investigate respective transition conditions and mechanisms, and probe the mechanical stability under different environmental conditions. Besides, by the means of steered all-atom molecular dynamics simulation, this project also intends to reveal the microscopic structural characteristic of the newly discovered unknown structure S-DNA and its dependence on DNA sequence. Furthermore, in order to probe the possible biological functions of S-DNA and the possibility of the reaction between S-DNA and anti-cancer drugs, the binding modes between S-DNA and various intercalators will be investigated thoroughly.

DNA作为遗传信息的载体，是生命能够繁衍不息的基石。在生物机械力作用下构象丰富多变的DNA构型不仅是执行具体生物功能的重要结构基础，也是构建核酸纳米器件的理想材料。因此，对各种DNA 构型的微观结构与稳定性的探索一直以来是生物物理学领域的一项重要工作。本项目主要围绕机械力下过度拉伸的DNA的微观结构,稳定性及其动力学特性开展研究工作。我们将运用动力学蒙特卡洛模拟并结合高精度单分子磁镊技术，试图为DNA过度拉伸相变中的三种转变方式建立动力学模型，探讨过度拉伸的DNA构型的转变条件和转变机理，研究其在不同环境条件下的力学稳定性。另外，我们将运用受控全原子分子动力学模拟的手段，试图探明新型未知结构的S-DNA在原子尺度上的微观结构特点，以及其微观结构对DNA序列的依赖性。另一方面，通过深入研究S-DNA与多种嵌入式配体的结合方式，探究其与嵌入型抗癌药物反应的可能性及其可能的相关生物功能。

本项目采用了基于经典力场的分子动力学模拟，蒙特卡洛模拟，第一性原理计算，分子对接技术等计算模拟手段，并结合了单分子技术，系统研究了核酸分子（DNA，RNA）的微观力学，热力学特性，结构特点，及其与嵌入型配体的结合方式。我们对过度拉伸相变及过度拉伸的DNA之间的转变建立了相应的动力学模型，使得模拟结果能够很好的符合单分子实验结果。我们在模型中首次考虑单链二级结构能，并发现这可能是实验上观察到的ss-to-B, ss-to-S 转变在高盐浓度下变缓的原因。再者，配合单分子光镊实验，我们测定了不同盐浓度下RNA最近邻10组碱基对的堆叠能，并发现RNA碱基对AU/UA与CU/GA对Mg2+的响应与其他碱基对有明显的不同，并提出这可能是RNA在Mg2+溶液里动力学特性与DNA迥异的原因。通过伞采样方法，我们发现S-DNA极可能是一种伸长的去螺旋的结构，并且，大部分GC碱基对之间配对氢键基本能够保持。基于此结构，我们运用分子对接技术，分析了过度拉伸的DNA结构与两种嵌入式配体Daunorubicin，Ellipticine的结合方式，并发现这两种配体都更倾向于插入碱基对被破坏的空间，并与上下碱基进行堆叠，形成稳定构型，其结合能反而更低于其与B-DNA的结合能。我们的研究暗示Daunorubicin也能通过直接与受力的DNA相互作用（DNA转录复制时必然受力），来阻止DNA的转录复制。本项目的研究结果，为DNA过度拉伸相变这一问题提供了完整的物理机制和结构模型，并对基于DNA结构的抗癌药物研发提供了新的思路和方向。