周如鴻、李敬源團隊在生物分子馬達超穩定機械性機制方面取得突破性進展

生物分子馬達是由蛋白質、核酸等組成的生物分子機器，如鞭毛馬達、驅動蛋白、DNA組裝馬達等。分子馬達具有非常精巧的複合體結構，它通過消耗ATP化學能產生運動，是生物系統進行運動的基本功能單元，在許多生命過程中起著關鍵的作用。比如病毒在複製過程中，通過DNA組裝馬達將新合成的DNA鏈壓縮進病毒衣殼內。由於在病毒侵染與擴增中的重要作用，近年來病毒DNA組裝馬達被視為抗病毒藥物研發的一類新的作用靶點，但其背後的分子機制，尤其是其機械穩定性的分子起因，尚不清楚。最近，來自浙江大學定量生物中心與物理系的周如鴻教授和李敬源教授的研究團隊在DNA組裝馬達的超穩定機械性能的分子機制方面取得突破性進展，其研究結果發表於最新一期的Science Advances （http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1601684）。

在DNA組裝過程中，馬達需要承受壓縮DNA所伴隨的反作用力，馬達結構的機械穩定性是影響它生物功能的關鍵性質。周如鴻教授和李敬源教授的研究團隊，通過選取一組重要的病毒phi29的DNA組裝馬達，針對分子馬達的機械穩定性進行了系統研究。phi29組裝馬達由ATP酶，衣殼連接器以及pRNA三部分組成，其中pRNA是由三條RNA鏈所組成的三路交叉結構，是組裝馬達的結構樞紐。研究團隊利用拉伸分子動力學模擬方法發現pRNA分子的機械穩定性遠高於目前已知的RNA結構，這使得pRNA可以有效承受馬達的工作負載。並進一步揭示在三路交叉結構核心存在兩個嵌入鎂離子，組成相互耦合的雙鎂離子鉗結構，這是RNA機械穩定性的分子基礎。實驗證實如果利用螯合劑去掉鎂離子會破壞RNA機械穩定性，使馬達失去組裝DNA的能力。更令人驚奇的是，研究發現這種RNA三路結構的機械穩定性是各向異性的，高度依賴於受力方向：RNA在ATP酶-衣殼方向上（也就是DNA的組裝方向）有著很強的機械強度，但在其他方向上又有著很好的結構柔性。同時，理論計算結果獲得南京大學、美國俄亥俄州立大學的合作團隊實驗工作的支持。上述發現揭示了pRNA三路交叉結構的生物功能：在DNA組裝方向上的機械強度使得pRNA能夠有效地作為DNA組裝馬達不同組件的結構樞紐，但在其他方向上RNA結構依然具有高度的柔性，有助於馬達的自組裝。

「上述發現將大大提升人們對於分子馬達在實現其生物功能時在分子尺度的機械過程與穩定性的理解，為精準醫療在基於病毒DNA組裝馬達的抗病毒藥物研發方面提供一種可能」，浙江大學定量生物中心主任周如鴻教授說。此外本研究結果首次系統闡明協同作用的鎂離子鉗結構使RNA具有超強機械穩定性，這將有助於理解與設計其他具有結構剛性的核酸結構，構建生物納米材料，應用於廣泛的生物醫學研究。

（物理學系）

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