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Science:机体内"活的电话线"——DNA

“这是一个疯狂的点子,对吗?”Jacqueline Barton说。她镇定自若地坐在美国加利福尼亚州理工学院的办公室里,看上去像是一幅科学家画像。但几十年来,她一直在与自己的生物化学家同行就DNA的性能展开争论。

太阳光里的光子,食物、水和空气中的诱变剂以及其他攻击因素都在损害着盘绕在每个细胞核中的DNA分子。一个蛋白质“哨兵家族”在永久地扫描着人们的基因,并努力在损伤引发癌症和其他疾病前修复它们。但这些修复蛋白质如何从30亿对核苷酸中找到受损点仍是个谜。这些修复蛋白质通过跳到DNA上,并沿着双螺旋链进行扫描,寻找被化学修饰、匹配错误同伴或简单遗失的核苷酸。但这一进程太过缓慢。“如果你仅仅是循序调查该基因,那么细胞中没有足够的DNA修复蛋白清理(这些错误)。”范德堡大学结构生物学家Walter Chazin说。

现在,在经历了近30年辛勤实验和大量争论后,化学家Barton想出了一个合理的方案。该方案重点是,除了充当细胞基因库外,DNA还会导电。Barton认为,DNA修复蛋白使用通讯功能,就像DNA电话线一样彼此进行交流,极大加快了损伤寻找速度。“这种交流是修复的第一步。”她说。

如果该提议还不足以激怒怀疑者,Barton正在更进一步。最近的证据显示,DNA电话线不仅加速DNA修复,还在蛋白质操控DNA的大部分过程(甚至是基因的读取和复制)中发挥重要作用。“这是令人难以置信的协调。它们必须彼此通话。电话游戏让事情做得更好。”

“这是个令人难以置信的主意。”起初将自己归为怀疑者之列的Chazin说,但现在他正在自己的实验室里积极研究该理论。Chazin等人注意到,许多生物学家仍回避蛋白质将电子注入DNA的概念,这可能破坏它们想要保护的分子。但他表示:“起生物作用的DNA电荷输送轨迹在增加。”

追溯历史

实际上,DNA能够导电的概念可以追溯到Watson和Crick在1953年提出DNA双螺旋结构后不久。化学家认为,双螺旋结构只是让DNA十分有趣的东西的一部分。组成DNA“骨干”的糖和磷酸基,实际上更接近围绕核苷酸碱基盘旋的“外骨骼”。这些碱基会包含1个名为芳香烃的原子环,每个环上或环下都有一个环形电子云。芳香烃会跟电子云重叠,产生一个看起来像分子电线的电子连续通路。但上世纪五六十年代,化学家在寻找DNA引导电子的信号,但大多数人一无所获。

1983年时,Barton对这段历史一无所知,当时作为一位年轻的教授,她从亨特学院来到哥伦比亚大学。那时,她在研究特殊位点捆绑DNA的金属化合物间的电荷转移。1985年,她的一个博士后Vijay Kumar加入了一些DNA,发现导电性暴涨。Kumar认为,DNA就像一根电线,帮助电荷在金属中移动。回顾文献后,Barton和Kumar发现了这些早期研究。在大部分实验中,研究人员测试了单个、干燥和冷冻的DNA。“人们没有在生理条件下考虑DNA。”Barton说。因此,她跟同事在室温下和溶液状态里测量了DNA的导电性,并发现了DNA长距离载荷电子的明显痕迹。

致力于其他生物分子和蛋白质研究的科学家并没有发现这种现象。蛋白质通常只能经由一个名为量子穿隧效应的过程,在非常短的距离上转移电荷——最多数纳米。但如果Barton的研究是正确的,DNA能将电子摆渡数十纳米,经过约100个碱基对,则远远超出了穿隧效应能达到的范围。“起初,人们对此非常怀疑,因为(Barton提出的)距离太长了。”加州理工学院化学家Harry Gray说。除此之外,怀疑者指出,镶嵌到DNA中的金属使Barton的研究存在人为设计问题。“这令人非常痛苦,但也迫使我们进行更好的研究。”她说。

积累证据

他们进行了进一步研究,并稳步积累了DNA正像电线一样工作的证据。例如,在2008年的一项研究中,Barton团队与哥伦比亚化学家Colin Nuckolls展开合作,制造了以DNA为两个碳纳米管连接线的晶体管。这些纳米管分别与分离电极相连。

他们发现,当所有的DNA碱基都被正常配对时,电荷会快速流过DNA电线。但当配对不当时(C与另一个C而非G配对),DNA的导电性会锐减。Barton团队揭示,导电性的变化能反映DNA的多种损伤,即便它包含了单个碱基。即便是微小变化也会明显破坏电荷迅速流动所需的核苷酸碱基的完美堆叠。“我们所了解到的是,DNA的导电能力精确地依靠碱基的堆叠。”Barton说。这些研究和其他研究已经开始说服早期的批评者。现在,Gray 表示:“我认为,该领域专家开始同意电荷长距离传输。”

但研究人员无法将弹簧夹伸到DNA内部的原子核中,以发现它们是否在活细胞中导电。因此,Barton研究小组需要寻找间接证据。一个起始点是1992年斯克里普斯研究所结构生物学家John Tainer及其同事发表的《科学》杂志论文。该团队首次发现了DNA修复蛋白的晶体结构——核酸内切酶III。核酸内切酶III是修复蛋白家族的成员,负责执行碱基切除修复(BER)——减去被损害的核苷酸片段,以便其他修复蛋白能进入,并且插入原始拷贝。

当Tainer团队发现核酸内切酶III的结构时,他们迷惑了。除了常规的氨基酸扭曲链外,该蛋白质还拥有4个铁和4个硫原子(Fe4S4)簇。在许多酵母中,铁硫簇起到了重要的催化作用,原因是它们善于从邻居案例抓取电子或放弃电子,这一过程被称为氧化还原反应。

在其他蛋白质中,金属簇帮助蛋白质折叠成适当的形状。但当Tainer考虑了核酸内切酶III的结构后,Fe4S4簇似乎无法在适当的位置帮助蛋白质折叠或催化反应。更令人困惑的是,当它是一个DNA修复酶时,核酸内切酶III会定期与DNA联系。这意味着进化将潜在的导电金属团置于遗传库临近位置。但铁硫簇在这里做什么?

为了明确金属组团的导电特性是否发挥作用,Tainer和同事分离了核酸内切酶III样本,并将它们暴露于其他化合物中,测量了蛋白质如何放弃或抓取电子。结果发现,只有强有力的氧化还原化合物会产生效果,但这些化合物不会存在于活细胞中。Tainer研究小组推断,核酸内切酶III的Fe4S4簇不会在细胞内交换电子,但却发挥结构功能。对于Tainer而言,这就是故事结尾了。

继续探索

但Barton并不满意。她想知道当它抓住DNA时,蛋白质的氧化还原电势是否改变。为了找出答案,她跟同事将DNA副本在溶液中与电极联系在一起,并增加了核酸内切酶III。他们使用了不同的电压,并观察了蛋白质的Fe4S4簇是放弃还是攫取电子。当核酸内切酶III被束缚在DNA上时,蛋白质的氧化还原电势会垂直下落到生物活性的最佳位置。

Tainer也表示信服。“Jackie Barton做了正确的实验。”他说。她为“人们对蛋白质—DNA交易和管理的理解的巨大变化敞开了大门”。

Barton团队还决定彻底解释原因:修复蛋白质可能使用DNA彼此交谈。她忽然从椅子上跳起来,走到显示屏前,指出什么正在发生。正如她设想的那样,当修复蛋白质绑定到DNA上后,它会改变结构,使得Fe4S4簇更易于放弃电子。当它这样做时,蛋白质的电价会从2+增加到3+,让它更紧地束缚住DNA。

同时,被放弃的电荷会沿着DNA电线移动。如果电子运动到DNA的一个损伤点时,就不会再继续移动。但如果没有损伤点,它会继续移动,直到遇到另一个DNA修复蛋白。总之,两个蛋白质之间在进行一个微型的电话游戏。

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