Physikalische Mechanismen, die DNA- und RNA-Twist-Änderungen erklären

Die Doppelhelix-Struktur der DNA wird durch Umweltreize deformiert, die dann die Genexpression beeinflussen und schließlich eine Reihe von zellulären Prozessen auslösen. Jüngste Forschungen unter der Leitung eines Physikers der City University of Hong Kong (CityU) beobachteten erhebliche DNA-Verformungen durch Ionen und Temperaturänderungen. Die Forscher entwickelten ein einfaches physikalisches Modell, um DNA-Verformungen zu erklären. Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in die molekularen Mechanismen zellulärer Reaktionen auf Ionen und Temperaturänderungen und können verwendet werden, um die Genexpression unter Verwendung von Ionen und Temperatur zu steuern.

Auswirkungen von DNA-Twist-Änderungen auf die Genexpression

Die Forschung, die von Dr. Dai Liang, Assistenzprofessor vom Department of Physics, CityU, und seinen Mitarbeitern von der Wuhan University gemeinsam geleitet wurde, konzentriert sich auf die Veränderungen der DNA-Verdrehung während DNA-Verformungen, da die Verdrehung ein wichtiger Strukturparameter der DNA ist Doppelhelix. Die Erhöhung des DNA-Verdrillungswinkels (Überwindung) führt nicht nur zur Bildung von DNA-Superspulen, sondern erhöht auch die Energiekosten für das Entpacken der DNA und unterdrückt somit die Genexpression. Beachten Sie, dass ein Schlüsselschritt der Genexpression darin besteht, eine doppelsträngige DNA in zwei einzelsträngige DNA zu entpacken, damit die DNA-Sequenz ausgelesen werden kann. Andererseits fördert die Verringerung der DNA-Twist-Zahl (Unwinding) die Genexpression. „Die aktive Kontrolle des DNA-Drehwinkels oder der DNA-Superspulen wird von Bakterien zur Regulierung der Genexpression eingesetzt“, erklärte Dr. Dai.

Beobachtung von DNA-Twist-Änderungen mit Salz und Temperatur

In ihrer Forschung beobachteten Dr. Dai und seine Mitarbeiter erhebliche DNA-Twist-Änderungen, wenn die Salzkonzentration und Temperatur variiert wurden. Ihre Experimente zeigen, dass die DNA-Verdrillung mit steigender Konzentration von Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumchlorid (KCl) zunimmt.

Das Geheimnis des Drehmechanismus geknackt

Nachdem sie die faszinierenden Ergebnisse der salzinduzierten Drehungsänderungen beobachtet hatten, waren die Forscher motiviert, die physikalischen Mechanismen herauszufinden. Dr. Dai wies darauf hin, dass die relevanten Mechanismen aufgrund der verschiedenen Wechselwirkungen in der DNA, wie Wasserstoffbrückenbindungen, Basenstapelung und elektrostatische Wechselwirkungen, nicht einfach sind. Die Variation der Salzkonzentration modifiziert viele Wechselwirkungen in der DNA. Diese Wechselwirkungen beeinflussen die DNA-Verdrehung über verschiedene Wege und machen die endgültige Verdrehungsänderung schwer fassbar.

Dr. Dai und seine Mitarbeiter haben den Fall irgendwie geknackt. Sie entwickelten ein einfaches physikalisches Modell, um den Mechanismus der salzinduzierten Drehungsänderung aufzudecken. „Wir fanden heraus, dass mehr Salz die Abschirmung der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Strängen verstärkt und somit den DNA-Durchmesser verringert, was schließlich die Verdrehung erhöht“, fügte Dr. Dai hinzu.

Darüber hinaus erklärt dasselbe physikalische Modell temperaturinduzierte DNA-Twist-Änderungen quantitativ. Basierend auf der analytischen Formel des physikalischen Modells leitete das Forschungsteam die durch Temperaturänderungen induzierte Variation der DNA-Verdrehung ab und stellte fest, dass sie quantitativ mit den Experimentergebnissen übereinstimmte. Dies bedeutet, dass zwei unabhängige Phänomene, salz- und temperaturinduzierte DNA-Twist-Änderungen, durch denselben Mechanismus angetrieben werden.

Ihr Experiment bestätigte, dass eine Temperaturerhöhung um 1 °C die DNA-Verdrehung um 0,01 Grad pro Basenpaar verringert. „Übersehen Sie diese ‚0,01 Grad‘ nicht, eine so kleine Drehungsänderung pro Basenpaar kann sich entlang einer langen DNA ansammeln, sagen wir 1 Million Basenpaare, und verursacht eine Drehung von 10.000 Grad von etwa 28 vollen Umdrehungen, was zu einer Komplikation führen würde Superspule“, sagte Dr. Dai.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Ein einheitlicher Mechanismus für die kraftinduzierten Twist-Änderungen in DNA und RNA

Dr. Dai, Professor Zhang leitete eine weitere verwandte Studie mit Professor Tan Zhijie, der ebenfalls von der Wuhan University ist. Schließlich lösten sie ein Rätsel, das viele Jahre lang existierte: Wie verändert sich die DNA- oder RNA-Verdrehung beim Strecken?

„Die Antwort darauf hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten ständig weiterentwickelt“, sagte Dr. Dai. Wissenschaftler erwarteten, dass die Dehnung die DNA-Verdrehung verringern sollte. Ein Experiment im Jahr 2006 beobachtete jedoch einen kontraintuitiven Trend: Dehnung erhöht die DNA-Verdrehung. Später im Jahr 2014 beobachtete ein anderes Experiment, dass die Dehnung die RNA-Verdrehung verringert, ein entgegengesetzter Trend in Bezug auf DNA. „Diese Beobachtung ist sehr überraschend, wenn man bedenkt, dass doppelsträngige RNA und DNA ähnliche Strukturen aufweisen, sich aber als entgegengesetzt herausstellen“, sagte Dr. Dai.

Nach sorgfältiger Analyse der kraftinduzierten Twist-Änderungen in DNA und RNA unter verschiedenen Bedingungen stellte das Team fest, dass Dehnung sowohl in DNA als auch in RNA sowohl die Verdrehung erhöhen als auch verringern kann, was von der Situation der DNA oder RNA abhängt. „Grundsätzlich gibt es vier Szenarien für DNA und RNA unter Dehnung, während frühere Studien nur einige dieser vier beobachteten“, schloss Dr. Dai.

Das Team entwickelte einen einheitlichen Mechanismus, um diese vier Szenarien zu erklären. Das Dehnen von kanonischer DNA und komprimierter RNA würde dazu führen, dass sie sich mehr verdrehen; Auf der anderen Seite würde das Dehnen bei verlängerter DNA und kanonischer RNA dazu führen, dass sie sich weniger verdrehen.

Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.