日前，來自北京大學(xué)的研究人員在新研究中對(duì)雙鏈DNA分子中單個(gè)錯(cuò)配堿基對(duì)自發(fā)翻轉(zhuǎn)（spontaneous flipping）的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了探測(cè)。，研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

    北京大學(xué)的趙新生（Xin Sheng Zhao）教授和高毅勤（Yi Qin Gao）教授是這篇論文的共同通訊作者。前者的主要研究興趣生物單分子探測(cè)和生物分子識(shí)別。后者的研究領(lǐng)域?yàn)槔碚?計(jì)算機(jī)化學(xué)、生物物理化學(xué)。

    DNA/RNA分子代謝過程中，堿基的損傷、烷基化以及非沃森-克里克配對(duì)（non-Watson-Crick）的情況時(shí)有發(fā)生，針對(duì)這些情況，生物體自身也進(jìn)化出了相應(yīng)的堿基修復(fù)機(jī)制。

    1994年Kumar等人首次報(bào)道了5-胞嘧啶甲基轉(zhuǎn)移酶（m5C-MTases）與雙鏈DNA(dsDNA)分子復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，從晶體結(jié)構(gòu)中人們發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)堿基胞嘧啶（C）已從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中翻出，進(jìn)入雙螺旋結(jié)構(gòu)外的m5C-MTases的活性口袋結(jié)構(gòu)。人們因此發(fā)現(xiàn)，堿基的修飾過程有極大的可能是發(fā)生在dsDNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)之外的。而在此之前，則必須經(jīng)歷堿基由雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部向外翻轉(zhuǎn)的過程。

    在隨后的近二十年時(shí)間里，隨著人們對(duì)DNA/RNA修復(fù)過程不斷地深入研究，越來越多的堿基修復(fù)蛋白被發(fā)現(xiàn)遵循著類似的將目標(biāo)堿基翻轉(zhuǎn)出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)之外的機(jī)制（延伸閱讀：程曉東教授Nature解答表觀遺傳謎題 ）。然而，直到現(xiàn)在人們對(duì)于堿基翻轉(zhuǎn)的認(rèn)識(shí)以及對(duì)其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究仍停留在猜測(cè)的水平。

    基于一些間接的實(shí)驗(yàn)和理論論據(jù)，科學(xué)家們探討演化出了三種截然不同的觀點(diǎn)。其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為錯(cuò)配或損傷的堿基，因其無法形成正常穩(wěn)定的Watson-Crick相互作用而存在有一定幾率自發(fā)翻轉(zhuǎn)出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，而在堿基自發(fā)翻轉(zhuǎn)出去之后，作為一種信號(hào)被修復(fù)蛋白識(shí)別并且捕獲。

    過去，研究人員是通過亞氨基質(zhì)子交換分析來獲得堿基自發(fā)翻轉(zhuǎn)的速率，但有人認(rèn)為這種方法極有可能測(cè)得的是堿基搖擺（base wobbling）而非翻轉(zhuǎn)的速率。

    在這篇新文章中，研究人員利用一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論技術(shù)，確定了堿基自發(fā)翻轉(zhuǎn)的自由能和速率，提供了關(guān)于其分子機(jī)制的一些新認(rèn)識(shí)。通過采用散延遲熒光相關(guān)光譜（diffusion decelerated fluorescence correlation spectroscopy, ddFCS）技術(shù)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，他們證實(shí)在雙鏈DNA中單個(gè)錯(cuò)配的堿基對(duì)(T–G, T–T, or T–C)中的一個(gè)堿基可以自發(fā)地翻轉(zhuǎn)出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)。其在螺旋外時(shí)間為10ms級(jí)別，而在螺旋內(nèi)的時(shí)間范圍為0.3-20s，這取決于堿基對(duì)的穩(wěn)定性。

    這些研究結(jié)果提供了關(guān)于DNA堿基翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)認(rèn)識(shí)，為充分了解修復(fù)蛋白尋找和定位目標(biāo)錯(cuò)配堿基機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。