本文關(guān)鍵詞：DNA動力學(xué)與彈性性質(zhì)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：DNA的力學(xué)性質(zhì)在其參與的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組等生物學(xué)行為中發(fā)揮著重要作用。但長期以來絕大部分研究集中于其基于堿基序列的生物化學(xué)性質(zhì),其生物力學(xué)性質(zhì)研究較少,導(dǎo)致對其力學(xué)性質(zhì)認識不足。近年來單分子測量技術(shù)的進步,使人們有機會深入了解極小尺度下DNA的力學(xué)行為。用理論模型深度解讀這些精確的實驗數(shù)據(jù),將大大增加對DNA力學(xué)性質(zhì)的認識并為相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供指導(dǎo)。解析這些高精度的單分子測量結(jié)果,需要與之相匹配的精確的理論模型。本文關(guān)注單/雙鏈DNA對應(yīng)多種情形,包括稀溶液、鹽溶液、張力作用下的力學(xué)行為,用多種精確的理論模型并輔以部分實驗解析了近年來的一些高精度的單分子測量結(jié)果,解決了現(xiàn)有DNA動力學(xué)與彈性性質(zhì)研究中存在的的一些問題。主要工作包括:(1)研究人員報道稀溶液中雙鏈DNA出現(xiàn)反常的亞Zimm動力學(xué)現(xiàn)象。為解釋這一反�，F(xiàn)象,分別用珠簧鏈模型與平均場高斯鏈模型深入分析實驗數(shù)據(jù)。珠簧鏈計算結(jié)果表明,雙鏈DNA的動力學(xué)性質(zhì)介于Rouse模型與Zimm模型之間。平均場高斯鏈模型能夠覆蓋全松弛模態(tài),計算精度很高,不需要參數(shù)擬合即能準確預(yù)測雙鏈DNA單體尺度上的動力學(xué)數(shù)據(jù)。平均場高斯鏈模型計算結(jié)果進一步指出,雙鏈DNA中間尺度的亞Zimm冪數(shù)律是“自然”出現(xiàn)的。雙鏈DNA在溶液中的隨機動力學(xué)能夠促進蛋白質(zhì)沿隨機卷曲DNA鏈的搜索,即1D/3D促進擴散現(xiàn)象。計算結(jié)果顯示蛋白質(zhì)在小于20 nm的較小尺度下以1D擴散為主,而超過該尺度后,又以3D擴散為主。(2)由大尺度動力學(xué)測量數(shù)據(jù)得到的單鏈DNA彈性性質(zhì)存在精度不足的問題。針對這一問題,用平均場高斯鏈模型精確預(yù)測單鏈DNA的單體動力學(xué)實驗結(jié)果,并計算其精確的彈性性質(zhì)。平均場高斯鏈模型能夠覆蓋全松弛模態(tài),用該模型解析單體動力學(xué)數(shù)據(jù)得到的持續(xù)長度精度也會非常高,精度大大超過傳統(tǒng)的大尺度散射數(shù)據(jù)解析結(jié)果。用Monte Carlo算法做優(yōu)化計算,得到單鏈DNA的持續(xù)長度與單個堿基長度分別為2.223 nm與0.676 nm。計算得到的單鏈DNA的Flory特征比要遠大于經(jīng)典的合成高分子如聚苯乙烯、聚乙烯,表明單鏈DNA的膨脹程度要比一般合成高分子大得多。同時用粒子追蹤方法與數(shù)字圖像處理方法考察單鏈DNA粘彈性性質(zhì)隨序列變化,實驗結(jié)果表明單鏈DNA表征彈性性質(zhì)的儲存模量在全頻率區(qū)間隨序列的不同而不同,但表征粘性性質(zhì)的耗損模量只在高頻率時隨序列發(fā)生變化。(3)研究人員對單鏈DNA的研究中靜電相互作用的尺度模糊問題,導(dǎo)致對固有持續(xù)長度所代表的非靜電彈性性質(zhì)認識不清。為解決這一問題,用尺度分離理想鏈模型考察單鏈DNA彈性性質(zhì)受受靜電相互作用的影響,并精確計算單鏈DNA的固有持續(xù)長度非靜電彈性性質(zhì)。該模型將單鏈DNA鏈上單體間靜電相互作用嚴格區(qū)分為近端與遠端相互作用,其中近端相互作用貢獻單鏈DNA的彎曲剛度,遠端相互作用貢獻單鏈DNA的膨脹效應(yīng)。用Monte Carlo優(yōu)化計算得到的單鏈DNA固有持續(xù)長度為0.44-0.48 nm,這一數(shù)據(jù)遠遠超過之前報道過的數(shù)據(jù),表明單鏈DNA的非靜電彈性部分對其參與的生物力學(xué)行為有相當貢獻。計算結(jié)果顯示,單鏈DNA固有持續(xù)長度對其參與的一些常見的生物力學(xué)參數(shù)如彎曲能、最長松弛時間、特性粘度的貢獻度很顯著,在鹽濃度較高時甚至會超過50%。(4)描述單/雙鏈DNA力-伸長曲線的模型存在不匹配的問題。為解決該問題,用統(tǒng)一理想鏈模型考察單/雙鏈DNA在張力作用下的變形,評價張力作用下DNA鏈彈性性質(zhì)由蠕蟲狀鏈變?yōu)樽杂蛇B接鏈的跨越力。該模型能覆蓋蠕蟲狀鏈與自由連接鏈所對應(yīng)的全受力區(qū)間。用統(tǒng)一理想鏈模型分析報道的單/雙鏈DNA的力-伸長數(shù)據(jù),計算得到雙鏈DNA的跨越力為5631.85 p N,單鏈DNA的跨越力為84.3 p N。這也意味著在生理條件的張力(100 p N)作用下,單鏈DNA在強力作用下會由蠕蟲狀鏈變?yōu)樽杂蛇B接鏈,而雙鏈DNA則不會發(fā)生彈性性質(zhì)跨越。用理論模型初步探討張力對蛋白質(zhì)與雙鏈DNA結(jié)合以及單鏈DNA脫離基底的影響。用免疫熒光觀測確定細胞核內(nèi)產(chǎn)生張力的信號分子。
【關(guān)鍵詞】：DNA 平均場理論 尺度分離 理想鏈 張力
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q523
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 1 緒論11-33
• 1.1 問題的提出及研究意義11-17
• 1.1.1 問題的提出11-16
• 1.1.2 研究意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-28
• 1.2.1 常用高分子鏈力學(xué)模型17-21
• 1.2.2. 雙鏈DNA動力學(xué)21-22
• 1.2.3 單鏈DNA的彈性性質(zhì)22-24
• 1.2.4 電荷對單鏈DNA彈性性質(zhì)的影響24-25
• 1.2.5 張力對DNA力學(xué)性質(zhì)及生物學(xué)行為的影響25-28
• 1.3 研究目的與研究內(nèi)容28-33
• 1.3.1 研究目的28
• 1.3.2 研究內(nèi)容28-31
• 1.3.3 創(chuàng)新點31-33
• 2 基于珠簧鏈模型與平均場高斯鏈模型雙鏈DNA反常動力學(xué)行為研究33-53
• 2.1 引言33-34
• 2.2 珠簧鏈模型34-37
• 2.3 平均場高斯鏈模型37-40
• 2.4 蛋白質(zhì)沿DNA鏈的促進擴散40-42
• 2.5 結(jié)果與討論42-51
• 2.5.1 雙鏈DNA的流體力學(xué)相互作用42-44
• 2.5.2 平均場高斯鏈模型計算結(jié)果44-48
• 2.5.3 隨機動力學(xué)對蛋白質(zhì)沿DNA鏈搜索效率的影響48-49
• 2.5.4 模態(tài)分析49-51
• 2.6 本章小結(jié)51-53
• 3 基于平均場高斯鏈模型單鏈DNA彈性性質(zhì)研究53-67
• 3.1 引言53-54
• 3.2 平均場高斯鏈模型54-55
• 3.3 粒子追蹤法測單鏈DNA粘彈性性質(zhì)55-56
• 3.4 結(jié)果與討論56-65
• 3.4.1 單鏈DNA的彈性性質(zhì)56-60
• 3.4.2 單鏈DNA的粘彈性性質(zhì)60-65
• 3.5 本章小結(jié)65-67
• 4 電荷對單鏈DNA彈性性質(zhì)的影響67-81
• 4.1 引言67-68
• 4.2 尺度分離理想鏈模型68-70
• 4.3 單鏈DNA固有持續(xù)長度對其生物力學(xué)行為的影響70-71
• 4.3.1 彎曲能70-71
• 4.3.2 特性粘度71
• 4.3.3 最長松弛時間71
• 4.4 結(jié)果與討論71-78
• 4.4.1 實驗數(shù)據(jù)的擬合71-74
• 4.4.2 單鏈DNA的固有持續(xù)長度74-77
• 4.4.3 單鏈DNA固有持續(xù)長度對其生物力學(xué)行為的影響77-78
• 4.5 本章小結(jié)78-81
• 5 張力對DNA彈性性質(zhì)及生物學(xué)行為的影響81-103
• 5.1 引言81-82
• 5.2 高分子鏈的力-伸長模型82-89
• 5.2.1 自由連接鏈模型82-84
• 5.2.2 蠕蟲狀鏈模型84
• 5.2.3 統(tǒng)一理想鏈模型84-86
• 5.2.4 張力對雙鏈DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合的影響86-87
• 5.2.5 張力對單鏈DNA粘附的影響87-89
• 5.3 細胞的張力產(chǎn)生機制及張力改變對細胞行為的影響89-93
• 5.4 結(jié)果與討論93-101
• 5.4.1 張力作用下單/雙鏈DNA的力-伸長曲線93-97
• 5.4.2 張力對蛋白質(zhì)與雙鏈DNA結(jié)合的影響97-99
• 5.4.3 張力作用下單鏈DNA的脫吸附99-100
• 5.4.4 細胞內(nèi)張力信號分子免疫熒光檢測100-101
• 5.5 本章小結(jié)101-103
• 6 結(jié)論與展望103-105
• 6.1 主要結(jié)論103-104
• 6.2 后續(xù)工作展望104-105
• 致謝105-107
• 參考文獻107-121
• 附錄121-122
• A 作者在攻讀博士論文期間科研及發(fā)表論文情況121-122
• B 參加科研項目情況122

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