DNA单分子实验中的微力学问题研究

发布时间：2020-09-29 08:48

　　 DNA的极致弯曲作为DNA的微力学性质,对相关生物功能及过程至关重要,为测量短链DNA的弹性性质,基于荧光共振能量转移方法,设计了由双链DNA和单链DNA组成的环形微力学探测器,从而直接测量微力学探测器内部短双链DNA应力,但实验值与基于经典高分子弹性理论的理论值之间存在较大差异,而且最近利用相似的微力学探测器独立开展的两个实验却给出了完全相反的结果。解决实验值与理论值及实验值之间差异的关键在于确定微力学探测器中双链DNA部分是否出现Kink结构,单链DNA和双链DNA的连接处是否会产生Fork结构。鉴于此,本文根据实验中采用的微力学探测器结构设计了三种模型,分别是模型I:双链DNA中存在Kink结构且双链DNA和单链DNA的连接处存在Fork;模型II:双链DNA中存在Kink结构但双链DNA和单链DNA的连接处不存在Fork;模型III:双链DNA中不存在Kink结构并且双链DNA和单链DNA的连接处存在Fork。利用蒙特卡洛模拟方法,确认实验中实验值和理论值及两个FRET实验间的差异的根本原因,主要开展以下工作:(1)确定微力学探测器中Fork结构。主要考量微力学探测器中双链DNA中存在或者不存在Kink结构时,微力学探测器中的Fork结构的产生情况。结果表明,当微力学探测器中双链DNA的轮廓长度大于其临界值时,即使双链DNA中存在Kink结构,双链DNA和单链DNA的连接处均会产生Fork;(2)确定三种模型下微力学探测器中双链DNA应力。基于三种模型分别开展蒙特卡洛模拟研究,通过对比力与微力学探测器中双链DNA轮廓长度的函数,发现与三种模型对应的力可以分为两种态,即Fork态和Kink态,与相应实验一致;(3)微力学探测器中Fork态和Kink态的互相转换。在由相邻堆积相互作用能和激发能构成的相空间中构建相图,其表明在Fork数目较小和较大时,Fork态和Kink态之间的相互转换较难实现,对应中等大小的Fork或Kink数目,Fork态和Kink态的相互转换就较容易观察到。综合考量模拟结果及FRET实验条件,两个相似FRET实验结果完全相反的原因可能源于两个实验条件的差异。同时,基于阿伦尼乌斯方程(Arrhenius plot)建立了激发能与温度之间的等效关系,确定了温度对Fork态与Kink态转换的影响,其与实验结果一致。
【学位单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q523
【部分图文】：

碱基对,核苷酸,胸腺嘧啶,鸟嘌呤

其中核苷酸由脱氧核糖、磷酸和碱基组成(如图1-1（a）)所示。包含四种碱基，其中两个为嘌呤碱基，分别为腺嘌呤（A）和鸟嘌呤(G)；两个为嘧啶碱基，分别为胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)，通过碱基间氢键及碱基对之间的堆积作用，使 DNA 以双螺旋形式存在。腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶(T)间为两个氢键，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)间为三个氢键(如图 1-1（b）所示)[1]。图 1-1 (a)核苷酸；（b）DNA 中的碱基对。嘌呤碱基配对（腺嘌呤（A）和鸟嘌呤(G)）和嘧啶碱基配对（胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)），虚线表示氢键[1]。在 DNA 的三种构形中，B 型 DNA 与细胞中 DNA 结构最接近，B 型 DNA 由两条反向平行的 DNA 链互相缠绕形成的一个右手双螺旋结构

碱基序列,双螺旋结构,碱基对

个互补的碱基序列链互相缠绕形成一个表示大沟，m 表示小沟，DNA 截面直径34nm，每个螺旋周期含 10.5 个碱基对，双螺旋结构中，糖-磷酸骨架之间的导致的极致弯曲通常会引起 DNA 发去堆积，从而形成 Kink 结构[5-10]双螺旋结构；（B）碱基对去堆积形成 K

微力学,荧光分子,探测器,应力

直接测量短链 DNA 内部应力，Shroff 等设计一种 DNA 微学探测器由双链 DNA、单链 DNA 和两个荧光分子组成。沿两个荧光分子之间的距离减少，导致荧光共振能量转移（T 效率能够准确的测量探测器上的应力。为了说明这个探测量一个由长为 10bp 的单链 DNA 和长为 25bp 的双链 DN应力，如图 1-4 所示，此时 FRET 效率是 0.43，通过与微对比，对应的应力大约 6pN，实验误差为 5pN，那么应N。基于蠕虫链模型将双链部分看做一个弹性杆，当超过时开始弯曲，其中是应力，是轮廓长度（9.18（4.1 ）, 是双链的驻留长度（53nm）,对应应力可见微力学探测器测得的实验值比理论值小得多。这种差2 f L pN nmpl

【参考文献】