Forscher enthüllen universelle Mechanismen von DNA- und RNA-Deformationen

DNA und RNA, die beiden Haupttypen von Nukleinsäuren und Bausteinen des Lebens, sind anfällig für Umwelteinflüsse, die dazu führen können, dass sie sich verformen, verbiegen oder verdrehen. Diese Verformungen können die Genregulation und Proteinfunktionen erheblich beeinträchtigen, sind jedoch mit herkömmlichen Techniken äußerst schwer zu messen.

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung eines Physikers der City University of Hong Kong (CityU) die Veränderung einer Nukleinsäure, die durch Salz, Temperaturänderung und Dehnungskraft hervorgerufen wird, genau gemessen. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenhelfen dabei, die zugrunde liegenden universellen Verformungsmechanismen von DNA und RNA aufzudecken.

Obwohl DNA- und RNA-Deformationen von großer biologischer Bedeutung sind, ist unser Verständnis davon aufgrund der Herausforderung, präzise Messungen von Nukleinsäuredeformationen durchzuführen, und der Komplexität der Nukleinsäurewechselwirkungen begrenzt. Um diese beiden Schwierigkeiten zu überwinden, nutzte das Forschungsteam, dem Wissenschaftler von CityU und der Wuhan-Universität angehörten, eine Kombination aus Experimenten, Simulationen und Theorien, um die Universalität von DNA- und RNA-Deformationen zu untersuchen.

Der Erfolg der Forschung liegt in einem präzisen Messwerkzeug, der sogenannten magnetischen Pinzette (MT). Hierbei handelt es sich um eine leistungsstarke experimentelle Technik, die in der Biophysik und Molekularbiologie zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften biologischer Moleküle wie DNA, RNA und Proteine ​​eingesetzt wird. Bei einem Experiment mit einer magnetischen Pinzette wird ein winziges Magnetkügelchen an einem interessierenden Molekül befestigt und ein Magnetfeld angelegt, um die Position des Kügelchens zu manipulieren.

Durch die Messung der Bewegung der Perle können Forscher die mechanischen Eigenschaften des Moleküls untersuchen, wie etwa seine Elastizität, Steifheit und Reaktion auf äußere Kräfte. Damit können winzige DNA- und RNA-Verdrehungsänderungen gemessen werden, die durch Umweltreize verursacht werden. Selbst kleine Verdrehungsänderungen können sich entlang eines langen DNA- oder RNA-Moleküls ansammeln und eine große Rotation des DNA- oder RNA-Endes verursachen.

In den Experimenten verwendete das Team magnetische Pinzetten, um DNA- und RNA-Verdrehungsänderungen, die durch Salz, Temperaturänderungen und Dehnung hervorgerufen wurden, präzise zu messen.

Durch die Experimente quantifizierte das Team die DNA-Twist-Diameter-Kopplungskonstante und die RNA-Twist-Groove-Kopplungskonstante und wandte die Kopplungskonstanten an, um DNA- und RNA-Deformationen zu erklären. Durch die Kombination dieser Erkenntnisse mit Simulationen, Theorien und anderen früheren Forschungsergebnissen stellte das Team fest, dass die durch Salz, Temperaturänderungen und Dehnungskräfte induzierten DNA- und RNA-Deformationsmechanismen durch zwei gemeinsame Wege gesteuert werden: Twist-Diameter-Kopplung für DNA und Twist-Groove Kopplung für RNA.

Bei DNA verändern Umweltreize normalerweise zunächst den Durchmesser der DNA und bewirken dann eine Änderung der Verdrehung durch eine starke Kopplung zwischen DNA-Verdrehung und -Durchmesser. Aber bei RNA „entwindet“ eine Verringerung der Salzkonzentration oder eine Erhöhung der Temperatur die RNA, da dadurch die Breite der RNA-Hauptfurche vergrößert und die Verdrehung verringert wird. Daher wird dies als Twist-Groove-Kupplung bezeichnet.

Durch die Analyse von Daten aus anderen Studien zur Proteinbindung stellte das Team fest, dass DNA und RNA denselben gemeinsamen Wegen folgen, wenn eine Verformung durch Proteinbindung induziert wird, was darauf hindeutet, dass die beiden Wege genutzt werden, um die Energiekosten für die DNA- und RNA-Verformung zu reduzieren und Proteine ​​zu erleichtern Bindung.

Ihre Ergebnisse legen nahe, dass die physikalischen Prinzipien, die der Deformation von Nukleinsäuren zugrunde liegen, universell sind und auf verschiedene Arten von Nukleinsäuren und Umweltreize angewendet werden können.

„Die neuesten Erkenntnisse können angewendet werden, um die DNA-Verpackung in Zellen und die damit verbundenen Energiekosten für Verformungen besser zu verstehen. Die Ergebnisse liefern auch Einblicke in die Art und Weise, wie Proteine ​​DNA und RNA erkennen und Verformungen induzieren, die die Schlüsselschritte bei der Genexpression und -regulation sind“, sagte er Professor Dai Liang, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik der CityU, der die Forschung mitleitete.

Die Erstautoren der Studie sind Tian Fujia von CityU sowie Zhang Chen und Zhou Erchi von der Universität Wuhan. Die entsprechenden Autoren sind Professor Dai von CityU und Professor Zhang Xinghua von der Wuhan-Universität.