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Science子刊:浙江大学周如鸿、李敬源研究组发表生物分子马达超稳定机械性机制研究论文

摘要 : 2017年5月26日,国际顶尖学术期刊《Science》旗下《Science Advances》杂志上在线发表了浙江大学定量生物中心与物理系周如鸿、李敬源团队的一篇研究论文,论文在生物分子马达超稳定机械性机制方面取得突破性进展。

2017年5月26日,国际顶尖学术期刊《Science》旗下《Science Advances》杂志上在线发表了浙江大学定量生物中心与物理系周如鸿、李敬源团队的一篇研究论文,论文在生物分子马达超稳定机械性机制方面取得突破性进展。

生物分子马达是由蛋白质、核酸等组成的生物分子机器,如鞭毛马达、驱动蛋白、DNA组装马达等。分子马达具有非常精巧的复合体结构,它通过消耗ATP化学能产生运动,是生物系统进行运动的基本功能单元,在许多生命过程中起着关键的作用。比如病毒在复制过程中,通过DNA组装马达将新合成的DNA链压缩进病毒衣壳内。由于在病毒侵染与扩增中的重要作用,近年来病毒DNA组装马达被视为抗病毒药物研发的一类新的作用靶点,但其背后的分子机制,尤其是其机械稳定性的分子起因,尚不清楚。

在DNA组装过程中,马达需要承受压缩DNA所伴随的反作用力,马达结构的机械稳定性是影响它生物功能的关键性质。周如鸿教授和李敬源教授的研究团队,通过选取一组重要的病毒phi29的DNA组装马达,针对分子马达的机械稳定性进行了系统研究。phi29组装马达由ATP酶,衣壳连接器以及pRNA三部分组成,其中pRNA是由三条RNA链所组成的三路交叉结构,是组装马达的结构枢纽。研究团队利用拉伸分子动力学模拟方法发现pRNA分子的机械稳定性远高于目前已知的RNA结构,这使得pRNA可以有效承受马达的工作负载。并进一步揭示在三路交叉结构核心存在两个嵌入镁离子,组成相互耦合的双镁离子钳结构,这是RNA机械稳定性的分子基础。实验证实如果利用螯合剂去掉镁离子会破坏RNA机械稳定性,使马达失去组装DNA的能力。更令人惊奇的是,研究发现这种RNA三路结构的机械稳定性是各向异性的,高度依赖于受力方向:RNA在ATP酶-衣壳方向上(也就是DNA的组装方向)有着很强的机械强度,但在其他方向上又有着很好的结构柔性。同时,理论计算结果获得南京大学、美国俄亥俄州立大学的合作团队实验工作的支持。上述发现揭示了pRNA三路交叉结构的生物功能:在DNA组装方向上的机械强度使得pRNA能够有效地作为DNA组装马达不同组件的结构枢纽,但在其他方向上RNA结构依然具有高度的柔性,有助于马达的自组装。

“上述发现将大大提升人们对于分子马达在实现其生物功能时在分子尺度的机械过程与稳定性的理解,为精准医疗在基于病毒DNA组装马达的抗病毒药物研发方面提供一种可能”,浙江大学定量生物中心主任周如鸿教授说。此外本研究结果首次系统阐明协同作用的镁离子钳结构使RNA具有超强机械稳定性,这将有助于理解与设计其他具有结构刚性的核酸结构,构建生物纳米材料,应用于广泛的生物医学研究。

原文链接:

Directional mechanical stability of Bacteriophage φ29 motor’s 3WJ-pRNA: Extraordinary robustness along portal axis

原文摘要:

The molecular motor exploited by bacteriophage φ29 to pack DNA into its capsid is regarded as one of the most powerful mechanical devices present in viral, bacterial, and eukaryotic systems alike. Acting as a linker element, a prohead RNA (pRNA) effectively joins the connector and ATPase (adenosine triphosphatase) components of the φ29 motor. During DNA packing, this pRNA needs to withstand enormous strain along the capsid’s portal axis—how this remarkable stability is achieved remains to be elucidated. We investigate the mechanical properties of the φ29 motor’s three-way junction (3WJ)–pRNA using a combined steered molecular dynamics and atomic force spectroscopy approach. The 3WJ exhibits strong resistance to stretching along its coaxial helices, demonstrating its super structural robustness. This resistance disappears, however, when external forces are applied to the transverse directions. From a molecular standpoint, we demonstrate that this direction-dependent stability can be attributed to two Mg clamps that cooperate and generate mechanical resistance in the pRNA’s coaxial direction. Our results suggest that the asymmetric nature of the 3WJ’s mechanical stability is entwined with its biological function: Enhanced rigidity along the portal axis is likely essential to withstand the strain caused by DNA condensation, and flexibility in other directions should aid in the assembly of the pRNA and its association with other motor components.

来源: Science Advances 浏览次数:0

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