电化学与单团簇小组
Matter:长程有序水链在A-T和C-G核苷酸之间的分布
前言
互补碱基对之间的相互作用对DNA杂化过程具有重要影响，因而引起研究者的广泛关注。虽然碱基对的长程相互作用相比短程而言弱化了很多，但是这种长程相互作用在生命体重普遍存在，因此相应研究对揭示生命起源有着重要意义。然而，受限于传统的实验方法与仪器，研究这些弱的长程相互作用极具挑战性。本工作结合基于原子力显微镜的单分子力学谱（SMFS）和拉曼光谱，观察到了 A-T/C-G 核苷酸碱基对之间有序水链的弱长程相互作用。此外，作者利用理论计算模拟了有序水链的理想结构，发现它可能是一种螺旋网络结构。该工作指出互补碱基对之间的这种有序水链结构可能对DNA杂化和其他生物组装过程产生重大影响，为进一步揭示DNA单螺旋体组装成多螺旋的组装机制提供了基础。
内容
作者为了探寻碱基对的长程相互作用，选取了具有相互作用的A-T碱基对和无相互作用的A-C碱基对作为研究对象。如图1A所示，ploy(dA)单螺旋体和ploy(dT)螺旋体是通过双螺旋体DNA裂解得到的，而图1B表示的则为碱基对A-C之间无相互作用。根据图1C的力学谱可以看到一个明显的台阶，这应该来自于双螺旋体的裂解。而独立的单螺旋体则没有这个过程，因此没有台阶（图1D）。通过与无相互作用的碱基对的SMFS谱对比，作者认为长程弱相互作用的作用力约为2.3 pN（图1E）。假设这些力学谱确实反应出了长程弱相互作用，那么不同的碱基对应该有着不同的性质。因此，作者以同样的方式对有强相互作用的C-G碱基对和本身无相互作用的C-T碱基对进行了SMFS谱的测试。结果显示C-G碱基对长程弱相互作用的力达到了3.5 pN，与A-T碱基对有着明显差别。此外，C-G与A-C碱基对之间几乎没有长程弱相互作用。
图1 在磷酸缓冲液（PBS）中获得的SMFS实验原理图和H1裂解过程的力学曲线
（A）两个cDNA分子(ploy(dA)和ploy(dT))。
（B）两个非互补DNA分子(ploy(dA)和ploy(dC))。
（C）在PBS缓冲器中获得的H1裂解的原始力延伸曲线。
（D）ploy(dA)和ploy(dC)的设备噪声信号。
（E）绘制在一起H1裂解的力曲线和装置噪声信号图，以显示A-T核苷酸之间的长程相互作用。
至此，作者已经能够定性地判断A-C与C-G两种碱基对之间存在长程弱相互作用。根据文献，作者认为水参与了这些长程弱相互作用的形成，并且把它们归于水溶液中的水与碱基对的氢键作用。然而，仅仅根据SMFS谱的结果，作者无法获得有关网络中水分子排列的信息。因此，作者选择了拉曼表征去研究长程相互作用水的具体排列信息。
图2 拉曼光谱表征示意图及A-T/C-G体系表征结果
（A）拉曼谱研究A-T/C-G碱基对长程相互作用示意图，将两个改性基底放在一起，并在一端用微球（直径1 μm）隔开。
（B）放大版本显示两个表面上不同分子之间相互作用的变化。
（C）双螺旋状态。
（D）随着距离的增加，互补基对之间的长程相互作用占据了主要成分，命名为长程相互作用状态。
（E）当距离过长，无法保持长程相互作用时，两个表面上的分子会彼此离开并折叠，称为自由单螺旋状态。
此处，作者采用双基板方法巧妙地构筑了连续的0 ~ 500 nm的纳米间隔。如图2A所示，两个经过修改的基板被放置在一起，并在一端由微球（直径约1 μm）隔开。两个基板之间的间隙从0到1μm持续增加，两个表面上不同DNA分子之间的相互作用随着两个表面之间的间隙距离的增加而变化。如图2B所示，激光束在两个基板表面的中间从0到10 mm（对应间隙距离从0到500 nm增加）之间连续移动，从而可以获得双螺旋态（图2C）、长程相互作用态（图2D）和自由单螺旋体（图2E）的拉曼光谱图。
图 3 A-T/C-G体系拉曼光谱表征结果
（A）在双螺旋状态（蓝色）、长程相互作用状态（红色）和自由单螺旋状态（青色）下从A-T体系中水的拉曼谱。
（B）在双螺旋状态（蓝色）、长程相互作用状态（品红色）和自由单螺旋状态（青色）下从C-G体系中水的拉曼谱。
（C）和（D）DNA链间距与3200cm-1处峰面积比平均值的关系，（C）为A-T体系，（D）为C-G体系。
通过对拉曼光谱羟基振动峰的分析，作者得出了有关于长程弱相互作用中水的信息。其中3200 cm-1处的峰为形成氢键的有序水，配位数为4。如图3A和3B所示，不同状态下的3200 cm-1的峰强是不一样的，这表明有序水的含量与碱基对的状态和种类相关。为了进一步量化有序水与碱基对距离的关系，作者测试了0 ~ 10 mm间的不同位置，拟合出了一条相关性曲线，如图3C和3D所示。结果表明，不同的碱基对有着不同的最佳距离，A-T碱基对的最大长度约为50 ~ 100 nm，而C-G碱基对的最远距离为30 ~ 80 nm。
为了进一步研究水分子在碱基对之间的具体结构，作者采用了密度泛函理论（DFT）来对相关构型进行理论模拟。图4给出了不同碱基对之间水层结构的理论模拟模型。根据拉曼光谱的结果，水分子是四配位，因此理论模拟时水层的模型由三个水分子组成。作者选取了0 ~ 20 nm长度的水链模型进行模拟，结果表明以上模型均可以优化成功。通过分析链中的分子排列，发现水分子以螺旋状的方式组装成分子弹簧。这种分子弹簧的微弱张力可以作为DNA杂化过程长程相互作的驱动力。
图 4 T、A、C、G之间水的螺旋结构，其中每个水层由三个水分子组成。
结论
此工作结合SMFS、拉曼光谱学和理论计算系统地研究了不同碱基对（A-T和C-G）之间的长程相互作用。SMFS 结果表明，长度在15~25 nm的互补碱基对有弱的长程相互作用，而非互补基对（即 A-C 和 C-T）之间没有明显的相互作用。结合拉曼光谱和理论计算研究水对碱基配对过程的影响，结果表明长程弱相互作用可归因于水分子在碱基对之间形成的氢键螺旋结构。
原文链接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30428-8
撰写人：袁赛赛（博士后）
校稿人：李瑞豪（2017级博士生）
