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蛋白质在DNA调控中发挥着重要作用，但一项新的研究发现DNA分子以一种依赖于DNA序列和表观遗传因子的方式直接相互作用。研究人员说，这可能会影响DNA在细胞中的组织方式，甚至可能影响基因在不同细胞类型中的调控方式。
由伊利诺伊大学物理学教授Aleksei Aksimentiev和约翰霍普金斯大学生物物理与生物物理化学教授Taekjip Ha领导，伊利诺伊大学活细胞物理学中心和Aksimentiev的兼职，研究人员在杂志上发表他们的工作性质通信。
“我们仍然只是开始探索DNA的物理特性。它不仅仅是一串字母，”Aksimentiev说。“这是一个具有独特特征的复杂分子。普遍存在的假设是，核内发生的一切，DNA的组织方式，都是蛋白质的作用。我们展示的是直接的DNA-DNA相互作用可能在大规模的染色体组织也是如此。“
使用位于伊利诺伊州校园的国家超级计算应用中心的Blue Waters超级计算机，Aksimentiev和博士后研究员Jejoong Yoo对两种DNA分子进行了详细的模拟，这两种DNA分子在电池中发现的电荷溶液中相互作用。超级计算机允许它们映射每个原子及其行为，并测量分子之间的力。他们发现，虽然DNA分子倾向于在水中相互排斥，但在细胞样环境中，两个DNA分子可以根据它们各自的序列相互作用。“在DNA字母表中，有A，T，G和C.我们发现当一个序列富含A和T时，有更强的吸引力，”Aksimentiev说。“然后我们看看在分子水平上究竟是什么导致它。我们喜欢将DNA看作一个很好的对称螺旋，但实际上有一系列的突起是甲基，我们发现它是调节这种序列依赖性的关键。吸引力“。
调节基因表达的过程之一是甲基化，其将甲基添加到DNA螺旋中。在进一步的模拟中，研究人员发现甲基增强了吸引力，因此附着甲基的 G和C重链序列与富含A和T的序列的相互作用强烈。
“关键是溶液中存在带电粒子，”Aksimentiev说。“假设你有两个人彼此不喜欢，但我喜欢他们两个，所以我可以用他们两个握手并把它们拉近。反离子的工作原理就是这样。他们如何拉力DNA分子在一起取决于它们之间有多少分子。当我们有这些颠簸时，我们有很多反离子。“
哈和毕业研究员Hajin Kim通过实验验证了模拟结果。他们使用先进的单分子成像技术，在一个微小的气泡中分离出两个DNA分子，然后观察分子是如何相互作用的。实验与来自模拟的数据很好地匹配，包括序列依赖性相互作用和甲基化DNA之间的相互作用。
“很高兴看到计算预测在我们的实验中得到了证实，”哈说。“它告诉我们原子级模拟的准确程度，并表明它们可以引导新的研究途径。”
研究人员认为，DNA 分子之间观察到的相互作用可能在染色体如何在细胞中组织以及哪些染色体紧密扩展或折叠，确定不同细胞类型的功能或调节细胞周期中发挥作用。
“例如，一旦你甲基化DNA，染色体变得更紧凑。它阻止细胞机器接近DNA，”Aksimentiev说。“这是一种判断哪些基因被打开以及哪些被关闭的方法。这可能是染色体如何排列以及组织机制如何影响基因表达的更大问题的一部分。”
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