亚精胺诱导DNA凝聚的有序性的AFM研究

　　在生物的活细胞和细菌体内,DNA以紧密堆积方式存在,其密堆积主要借助于多价阳离子(通常是聚胺)、蛋白质来完成[1]。七十年代Gosule[2]等研究发现正三价的亚精胺可直接诱导DNA凝缩成为环状、棒状的结构。由于这一结构的特殊性以及亚精胺与基因表达的许多过程的重要关联,环形凝聚态被认为与DNA在生物体内紧密有序存储有关[3]。因此这一领域有较多实验和理论研究。例如圆二色谱表明在该凝聚中DNA仅有部分构象变化[4,5];Baeza研究发现环形凝聚态有抗限制性内切酶的作用[6]。Wilson等通过光散射手段研究了不同价态的阳离子如Na+,Mg2+、正三价的亚精胺和正四价的精胺对凝聚的影响,认为不同的离子对DNA的磷酸根上的负电荷的中和能力不同,凝聚仅发生在DNA的负电荷被中和到89%以上[7]。另外,研究还认为环形凝聚体的尺寸在100nm左右,并与DNA片段的长短无关,一经形成后其大小随时间变化不大[8]。关于DNA环状凝聚体的凝聚机制有多种未能得到实验证实的猜想。Noguchi等认为凝聚过程是一种相变,环形凝聚体形成过程是在链的末端先产生一个环结构,DNA剩下的刚性部分则沿着环不断盘绕最终形成环状凝聚体[9]。Bloomfield等则认为凝聚过程是DNA的自组装过程,环形凝聚体大多由DNA不断有序盘绕而成,少量由棒状凝聚体末端连接而成[4,8]。顺序盘绕模型或固有直径环绕模型均提出环形凝聚体可能是由高度有序排列的DNA不断地盘绕而成[10]。然而由于电镜对环形凝聚体的观测缺少细节形态信息,而光散射等实验手段仅能够提供平均信息,导致关于凝聚行为物理机制这一重要研究在较大程度上有一定的不确定性。

　　此外,有些研究表明根据体系中DNA的浓度不同,多胺可诱导DNA形成三种类型的结构[8,11],如:(1)在极稀溶液中(DNA浓度低于1ng/μl),长的DNA分子形成单分子凝聚物;(2)在较稀溶液中(DNA浓度介于1ng/μl和10ng/μl之间),体系中存在多分子凝聚的悬浮体,一些实验数据表明环形凝聚体在这一阶段中存在[2];(3)在稀溶液中(DNA浓度在1μg/μl左右),大量的DNA分子共同凝聚并极易沉淀。另外,一些研究还认为在这三种多胺-DNA凝聚物中均存在局部有序现象[11]。但是,迄今为止,有关环形凝聚体这一特殊结构与DNA浓度的关系以及其局部有序性的研究尚无较为明确的结论。

　　本文采用AFM系统观测了由亚精胺诱导的DNA凝聚体的形态与DNA浓度的关系,利用AFM的高分辨率,还发现了这些凝聚体的局部有序现象。我们认为,在多胺诱导下的DNA凝聚过程可能是分步自组装过程,多分子环形凝聚体的形成可能类似于晶体生长的螺旋盘绕机制。本文结论对生物体内DNA凝聚过程的理论研究具有重要意义。