DNA动力学与弹性性质研究
本文关键词：DNA动力学与弹性性质研究，，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：DNA的力学性质在其参与的复制、转录、重组等生物学行为中发挥着重要作用。但长期以来绝大部分研究集中于其基于碱基序列的生物化学性质,其生物力学性质研究较少,导致对其力学性质认识不足。近年来单分子测量技术的进步,使人们有机会深入了解极小尺度下DNA的力学行为。用理论模型深度解读这些精确的实验数据,将大大增加对DNA力学性质的认识并为相关的生物医学应用提供指导。解析这些高精度的单分子测量结果,需要与之相匹配的精确的理论模型。本文关注单/双链DNA对应多种情形,包括稀溶液、盐溶液、张力作用下的力学行为,用多种精确的理论模型并辅以部分实验解析了近年来的一些高精度的单分子测量结果,解决了现有DNA动力学与弹性性质研究中存在的的一些问题。主要工作包括:(1)研究人员报道稀溶液中双链DNA出现反常的亚Zimm动力学现象。为解释这一反常现象,分别用珠簧链模型与平均场高斯链模型深入分析实验数据。珠簧链计算结果表明,双链DNA的动力学性质介于Rouse模型与Zimm模型之间。平均场高斯链模型能够覆盖全松弛模态,计算精度很高,不需要参数拟合即能准确预测双链DNA单体尺度上的动力学数据。平均场高斯链模型计算结果进一步指出,双链DNA中间尺度的亚Zimm幂数律是“自然”出现的。双链DNA在溶液中的随机动力学能够促进蛋白质沿随机卷曲DNA链的搜索,即1D/3D促进扩散现象。计算结果显示蛋白质在小于20 nm的较小尺度下以1D扩散为主,而超过该尺度后,又以3D扩散为主。(2)由大尺度动力学测量数据得到的单链DNA弹性性质存在精度不足的问题。针对这一问题,用平均场高斯链模型精确预测单链DNA的单体动力学实验结果,并计算其精确的弹性性质。平均场高斯链模型能够覆盖全松弛模态,用该模型解析单体动力学数据得到的持续长度精度也会非常高,精度大大超过传统的大尺度散射数据解析结果。用Monte Carlo算法做优化计算,得到单链DNA的持续长度与单个碱基长度分别为2.223 nm与0.676 nm。计算得到的单链DNA的Flory特征比要远大于经典的合成高分子如聚苯乙烯、聚乙烯,表明单链DNA的膨胀程度要比一般合成高分子大得多。同时用粒子追踪方法与数字图像处理方法考察单链DNA粘弹性性质随序列变化,实验结果表明单链DNA表征弹性性质的储存模量在全频率区间随序列的不同而不同,但表征粘性性质的耗损模量只在高频率时随序列发生变化。(3)研究人员对单链DNA的研究中静电相互作用的尺度模糊问题,导致对固有持续长度所代表的非静电弹性性质认识不清。为解决这一问题,用尺度分离理想链模型考察单链DNA弹性性质受受静电相互作用的影响,并精确计算单链DNA的固有持续长度非静电弹性性质。该模型将单链DNA链上单体间静电相互作用严格区分为近端与远端相互作用,其中近端相互作用贡献单链DNA的弯曲刚度,远端相互作用贡献单链DNA的膨胀效应。用Monte Carlo优化计算得到的单链DNA固有持续长度为0.44-0.48 nm,这一数据远远超过之前报道过的数据,表明单链DNA的非静电弹性部分对其参与的生物力学行为有相当贡献。计算结果显示,单链DNA固有持续长度对其参与的一些常见的生物力学参数如弯曲能、最长松弛时间、特性粘度的贡献度很显著,在盐浓度较高时甚至会超过50%。(4)描述单/双链DNA力-伸长曲线的模型存在不匹配的问题。为解决该问题,用统一理想链模型考察单/双链DNA在张力作用下的变形,评价张力作用下DNA链弹性性质由蠕虫状链变为自由连接链的跨越力。该模型能覆盖蠕虫状链与自由连接链所对应的全受力区间。用统一理想链模型分析报道的单/双链DNA的力-伸长数据,计算得到双链DNA的跨越力为5631.85 p N,单链DNA的跨越力为84.3 p N。这也意味着在生理条件的张力(100 p N)作用下,单链DNA在强力作用下会由蠕虫状链变为自由连接链,而双链DNA则不会发生弹性性质跨越。用理论模型初步探讨张力对蛋白质与双链DNA结合以及单链DNA脱离基底的影响。用免疫荧光观测确定细胞核内产生张力的信号分子。
【关键词】：DNA 平均场理论 尺度分离 理想链 张力
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q523
【目录】：
- 摘要3-5
- Abstract5-11
- 1 绪论11-33
- 1.1 问题的提出及研究意义11-17
- 1.1.1 问题的提出11-16
- 1.1.2 研究意义16-17
- 1.2 国内外研究现状17-28
- 1.2.1 常用高分子链力学模型17-21
- 1.2.2. 双链DNA动力学21-22
- 1.2.3 单链DNA的弹性性质22-24
- 1.2.4 电荷对单链DNA弹性性质的影响24-25
- 1.2.5 张力对DNA力学性质及生物学行为的影响25-28
- 1.3 研究目的与研究内容28-33
- 1.3.1 研究目的28
- 1.3.2 研究内容28-31
- 1.3.3 创新点31-33
- 2 基于珠簧链模型与平均场高斯链模型双链DNA反常动力学行为研究33-53
- 2.1 引言33-34
- 2.2 珠簧链模型34-37
- 2.3 平均场高斯链模型37-40
- 2.4 蛋白质沿DNA链的促进扩散40-42
- 2.5 结果与讨论42-51
- 2.5.1 双链DNA的流体力学相互作用42-44
- 2.5.2 平均场高斯链模型计算结果44-48
- 2.5.3 随机动力学对蛋白质沿DNA链搜索效率的影响48-49
- 2.5.4 模态分析49-51
- 2.6 本章小结51-53
- 3 基于平均场高斯链模型单链DNA弹性性质研究53-67
- 3.1 引言53-54
- 3.2 平均场高斯链模型54-55
- 3.3 粒子追踪法测单链DNA粘弹性性质55-56
- 3.4 结果与讨论56-65
- 3.4.1 单链DNA的弹性性质56-60
- 3.4.2 单链DNA的粘弹性性质60-65
- 3.5 本章小结65-67
- 4 电荷对单链DNA弹性性质的影响67-81
- 4.1 引言67-68
- 4.2 尺度分离理想链模型68-70
- 4.3 单链DNA固有持续长度对其生物力学行为的影响70-71
- 4.3.1 弯曲能70-71
- 4.3.2 特性粘度71
- 4.3.3 最长松弛时间71
- 4.4 结果与讨论71-78
- 4.4.1 实验数据的拟合71-74
- 4.4.2 单链DNA的固有持续长度74-77
- 4.4.3 单链DNA固有持续长度对其生物力学行为的影响77-78
- 4.5 本章小结78-81
- 5 张力对DNA弹性性质及生物学行为的影响81-103
- 5.1 引言81-82
- 5.2 高分子链的力-伸长模型82-89
- 5.2.1 自由连接链模型82-84
- 5.2.2 蠕虫状链模型84
- 5.2.3 统一理想链模型84-86
- 5.2.4 张力对双链DNA与蛋白质结合的影响86-87
- 5.2.5 张力对单链DNA粘附的影响87-89
- 5.3 细胞的张力产生机制及张力改变对细胞行为的影响89-93
- 5.4 结果与讨论93-101
- 5.4.1 张力作用下单/双链DNA的力-伸长曲线93-97
- 5.4.2 张力对蛋白质与双链DNA结合的影响97-99
- 5.4.3 张力作用下单链DNA的脱吸附99-100
- 5.4.4 细胞内张力信号分子免疫荧光检测100-101
- 5.5 本章小结101-103
- 6 结论与展望103-105
- 6.1 主要结论103-104
- 6.2 后续工作展望104-105
- 致谢105-107
- 参考文献107-121
- 附录121-122
- A 作者在攻读博士论文期间科研及发表论文情况121-122
- B 参加科研项目情况122
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