一項(xiàng)新的研究可以解釋為什么DNA而不是其較老的化學(xué)表親RNA是遺傳信息的主要儲(chǔ)存庫(kù)。DNA雙螺旋是一種更寬容的分子，可以將自身扭曲成不同的形狀，以吸收遺傳密碼的基本構(gòu)件--A，G，C和T-的化學(xué)損傷。相反，當(dāng)RNA呈雙螺旋形式時(shí)，它是如此堅(jiān)硬和不屈不撓，而不是容納受損的堿基，它完全分崩離析。

這項(xiàng)研究于2016年8月1日發(fā)表在“ 自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué) ”雜志上，強(qiáng)調(diào)了DNA 雙螺旋的動(dòng)態(tài)特性，這對(duì)于維持基因組的穩(wěn)定性和抵御癌癥和衰老等疾病至關(guān)重要。這一發(fā)現(xiàn)很可能會(huì)重寫(xiě)教科書(shū)對(duì)遺傳信息，DNA和RNA 兩個(gè)傳播者之間差異的報(bào)道。

“這些簡(jiǎn)單漂亮的結(jié)構(gòu)中存在著驚人的復(fù)雜性，我們已經(jīng)蒙蔽了它們的全新層次或尺寸，因?yàn)榈侥壳盀橹刮覀冞€沒(méi)有看到它們的工具，”Hashim M. Al-Hashimi博士說(shuō)。 D.，該研究的高級(jí)作者和杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院的生物化學(xué)教授。

DNA著名的雙螺旋通常被描繪成螺旋形樓梯，兩條長(zhǎng)鏈彼此扭曲，步驟由四個(gè)稱(chēng)為堿基的化學(xué)構(gòu)建塊組成。這些堿中的每一個(gè)都含有碳環(huán)，以及氮，氧和氫的各種構(gòu)型。這些原子的排列允許G與C和A配對(duì)以與T配對(duì)，就像優(yōu)雅機(jī)器中的互鎖齒輪一樣。

當(dāng)Watson和Crick在1953年發(fā)表他們的DNA雙螺旋模型時(shí)，他們確切地預(yù)測(cè)了這些對(duì)將如何組合在一起。然而，其他研究人員努力提供這些所謂的Watson-Crick 堿基對(duì)的證據(jù)。然后在1959年，一位名叫Karst Hoogsteen的生物化學(xué)家拍攝了一張AT基座對(duì)，其幾何形狀略微偏斜，一個(gè)基座相對(duì)于另一個(gè)基座旋轉(zhuǎn)180度。從那以后，在靜止的DNA圖像中觀察到了Watson-Crick和Hoogsteen堿基對(duì)。

五年前，Al-Hashimi和他的團(tuán)隊(duì)表明，堿基對(duì)不斷在Watson-Crick和DNA雙螺旋中的Hoogsteen配置之間來(lái)回變換。Al-Hashimi說(shuō)，當(dāng)DNA被蛋白質(zhì)結(jié)合或被化學(xué)損傷破壞時(shí)，Hoogsteen堿基對(duì)通常會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)DNA從蛋白質(zhì)中釋放出來(lái)或修復(fù)了對(duì)其堿基的損害時(shí)，DNA會(huì)回到更直接的配對(duì)狀態(tài)。

“DNA似乎使用這些Hoogsteen堿基對(duì)為其結(jié)構(gòu)增加了另一個(gè)維度，變形為不同的形狀，以在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)額外的功能，”Al-Hashimi說(shuō)。

Al-Hashimi和他的團(tuán)隊(duì)想知道當(dāng)RNA(DNA和蛋白質(zhì)之間的中間人)形成雙螺旋時(shí)，是否也會(huì)發(fā)生同樣的現(xiàn)象。因?yàn)閴A基配對(duì)的這些變化涉及分子在原子水平上的運(yùn)動(dòng)，所以它們難以通過(guò)常規(guī)方法檢測(cè)。因此，Al-Hashimi的研究生Huiqing Zhou使用了一種稱(chēng)為NMR弛豫分散的復(fù)雜成像技術(shù)來(lái)觀察這些微小的變化。首先，她設(shè)計(jì)了兩個(gè)模型雙螺旋 - 一個(gè)由DNA制成，一個(gè)由RNA制成。然后，她使用核磁共振技術(shù)跟蹤構(gòu)成螺旋步驟的單個(gè)G和A堿基的翻轉(zhuǎn)，根據(jù)Watson-Crick或Hoogsteen規(guī)則配對(duì)。

先前的研究表明，在任何給定時(shí)間，DNA雙螺旋中1%的堿基變成Hoogsteen堿基對(duì)。但當(dāng)周看著相應(yīng)的RNA雙螺旋時(shí)，她發(fā)現(xiàn)絕對(duì)沒(méi)有可檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng); 堿基對(duì)全部?jī)鼋Y(jié)到位，卡在Watson-Crick配置中。

研究人員想知道他們的RNA模型是否是一個(gè)不尋常的異?；虍惓?，所以他們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的RNA分子并在各種條件下進(jìn)行了測(cè)試，但仍然沒(méi)有出現(xiàn)扭曲到Hoogsteen配置。他們擔(dān)心RNA實(shí)際上可能正在形成Hoogsteen堿基對(duì)，但它們發(fā)生的速度非?？?，以至于它們無(wú)法捕獲它們。周將一種稱(chēng)為甲基的化學(xué)物質(zhì)添加到堿基上的特定位點(diǎn)以阻斷Watson-Crick堿基配對(duì)，因此RNA將被困在Hoogsteen配置中。她驚訝地發(fā)現(xiàn)，不是通過(guò)Hoogsteen堿基對(duì)連接，兩條RNA在損傷部位附近分開(kāi)。

“在DNA中，這種修飾是一種損傷形式，它很容易通過(guò)翻轉(zhuǎn)堿基形成Hoogsteen堿基對(duì)而被吸收。相反，同樣的修飾會(huì)嚴(yán)重破壞RNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，”周說(shuō)，他是領(lǐng)導(dǎo)者該研究的作者。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為RNA不會(huì)形成Hoogsteen堿基對(duì)，因?yàn)樗碾p螺旋結(jié)構(gòu)(稱(chēng)為A型)比DNA(B型)結(jié)構(gòu)更加壓縮。結(jié)果，RNA不能翻轉(zhuǎn)一個(gè)堿基而不會(huì)碰到另一個(gè)堿基，或者沒(méi)有在原子周?chē)苿?dòng)，這會(huì)撕裂螺旋。“對(duì)于像雙螺旋這樣基本的東西，我們?cè)谟螒蛑邪l(fā)現(xiàn)這些基本屬性真是太神奇了，”Al-Hashimi說(shuō)。“我們需要繼續(xù)放大，以便更深入地了解這些基本的生命分子。”