DNA分子是生命遺傳信息的主要物質(zhì)載體。DNA環(huán)化是DNA不同位置所攜帶信息的一種協(xié)同實現(xiàn)方式。典型的例子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控,增強子通過DNA環(huán)化與啟動子相互作用,從而實現(xiàn)了對基因表達水平的調(diào)控。因此,破譯DNA的環(huán)化動力學是解讀基礎生命過程的重要課題。本文在介紹DNA結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)的基礎上,綜述DNA環(huán)化時間的計算方法。在生理條件下,DNA的主要性質(zhì)特點是彎折柔性強,而扭轉(zhuǎn)和拉伸剛性強;據(jù)此,DNA環(huán)化可視作自發(fā)的熵減過程。運用熱力學統(tǒng)計理論,可獲得計算DNA環(huán)化時間的半經(jīng)驗公式。公式中的參數(shù)可由單分子光譜共聚焦技術測得的數(shù)據(jù)確定。該公式表明,空間拓撲決定了環(huán)化概率,DNA長度決定了環(huán)化時間。該公式適用于計算DNA上的順式元件之間、順式元件與啟動子之間的相互作用。其優(yōu)點在于避開了DNA結(jié)構(gòu)和細胞核環(huán)境的復雜性。

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【部分圖文】：

圖1.DNA的拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎折以及結(jié)合位點的方向性。(a)DNA具有拉伸、扭轉(zhuǎn)剛性大，彎折柔性大的特點。圖中示意了DNA的大溝和小溝，黃色區(qū)域標識了一個DNA結(jié)合位點，方向為垂直紙面朝外。(b)蛋白質(zhì)與DNA的典型結(jié)合方式(PDB id:1LMB)。(a)中的結(jié)合位點以平行紙面方向為軸，順時針旋轉(zhuǎn)90?得到(b)的結(jié)合位點朝向。

DNA的具體結(jié)構(gòu)，取決于周邊的水環(huán)境，決定了它的環(huán)境敏感性。而另一方面，DNA功能的實現(xiàn)，要求它具有強的抗干擾性，即魯棒性。轉(zhuǎn)錄調(diào)控等DNA環(huán)化過程，因承擔了細胞信號轉(zhuǎn)導的精確性使命，其發(fā)生在時間和空間具有高度精準性。精準性決定了DNA環(huán)化對于環(huán)境擾動具有魯棒性。綜上，如果環(huán)境因....

圖2.大腸桿菌glnAp2基因的調(diào)控區(qū)域的環(huán)化方式與環(huán)化時間。(a) glnAp2基因上游的激活子序列。圖中標注了拓撲上易于發(fā)生的3種DNA環(huán)化方式以及環(huán)化時間。(b) glnAp2基因的調(diào)控模式[13]。

從而，公式(10)即為DNA的環(huán)化時間公式。其中，τ0為實驗測得的長度為n0的DNA的環(huán)化時間。f(f∈(0,1))為拓撲因子，需要實驗測定或數(shù)值擬合的方式確定。

圖3.大腸桿菌細胞內(nèi)DNA環(huán)化時間與DNA長度的關系。注：公式(10)不能給出約15 bp (～5 nm)及以下的環(huán)化時間。

結(jié)構(gòu)分析表明，在總計29種可能的環(huán)化方式中，絕大多數(shù)環(huán)化不可能發(fā)生或者發(fā)生的概率極低。其中，結(jié)構(gòu)制約因素包括三維空間尺度以及增強子的方向性。最可能發(fā)生的環(huán)化方式是II-V環(huán)化、I-H環(huán)化（即位點I上的激活子與-12區(qū)域的聚合酶全酶連接環(huán)化）、以及II-H環(huán)化。用公式(10)計算這....

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