揭示DNA和RNA螺旋扭轉改變的物理機制

脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結構會因環境的刺激而變形，繼而影響基因表達，最終觸發一系列的細胞進程。早前由香港城市大學（香港城大）物理學家領導的研究，便觀察到離子和溫度變化會導致DNA 變形。研究團隊更建立出一套簡單的物理模型以解釋DNA的變形。上述研究成果為細胞對離子和溫度變化出現響應的分子機制提供了新啟示，有助透過離子和溫度來控制基因表達。

DNA螺旋扭轉的改變影響基因表達

這項研究由香港城大物理學系助理教授代亮博士，與來自武漢大學的合作者共同領導。由於扭轉（twist）是DNA雙螺旋的關鍵結構參數，他們重點研究DNA在變形過程中DNA扭轉的變化。增加DNA的扭轉角度不但會形成DNA超螺旋（supercoils），還會增加DNA「解鏈（unzipping）」的能量消耗，從而抑制基因表達。而基因表達其中一個關鍵的步驟，就是將雙螺旋DNA「解鏈」成兩條單螺旋DNA，以讀取DNA的序列。相反，減少DNA的扭轉數量則會促進基因表達。代博士舉例說：「細菌會主動控制DNA的扭轉角度或DNA超螺旋來調控基因表達。」

鹽濃度及溫度變化造成的DNA扭轉改變

代博士和合作研究人員於研究中觀察到，當鹽的濃度和溫度發生變化時，DNA的扭轉亦發生了顯著變化。他們的實驗表明，DNA的扭轉會隨著氯化鈉（NaCl）和氯化鉀（KCl）的濃度上升而增加。

破解出扭轉變化背後的機制

研究人員觀察到由鹽濃度變化誘發出扭轉變化的驚人結果，驅使他們找出背後的物理機制。代博士指出，相關機制相當複雜，因為DNA存在着各種的相互作用，例如氫鍵、鹼基堆積（base stacking）和靜電相互作用。而改變鹽濃度亦會改變DNA中的許多相互作用，這些相互作用通過不同的傳導途徑影響DNA扭轉，於是令最終的扭轉變化難以捉摸。

代博士和他的合作研究人員某程度上破解了相關機制，建立出一個簡單的物理模型來揭示由鹽所誘發的扭轉變化機制。代博士進一步說：「我們發現更多的鹽會加強螺旋之間靜電排斥的屏蔽（screening），從而縮短了DNA的直徑，最後轉化成增加的扭轉。」

不單是鹽濃度，同一物理模型更能定量地解釋由溫度所引起的DNA扭轉變化。基於該物理模型的解析公式，研究團隊推導出DNA扭轉隨溫度改變的變化值，並發現與實驗結果定量吻合。這意味著由鹽和溫度誘發的DNA扭轉變化此兩種獨立現象，是由相同的機制所驅動。

研究團隊的實驗證實，溫度每升高1°C就會導致每組鹼基對（per base pair）的DNA扭轉減少0.01度。代博士說：「別少看這『0.01 度』。即使每組鹼基對只有如此輕微的扭轉變化，但該變化會沿著整條有百萬鹼基對的DNA積累，並導致10,000度的旋轉，即大約整體轉 28個圈，這將衍生複雜的超螺旋。」

上述的研究結果已於學術期刊《Science Advances》上發表，題為〈Twist-diameter coupling drives DNA twist changes with salt and temperature〉。代博士、武漢大學的張興華教授是論文的通訊作者。來自城大物理學系的博士生田馥嘉，和武漢大學的張晨是第一作者。而其他研究人員則來自中國科學院和松山湖材料實驗室。

外力導致DNA和RNA扭轉變化的統一機制

代博士、張教授聯同亦是來自武漢大學的譚志杰教授領導了另一項相關研究，最終解開了一個多年的謎團：拉伸時DNA或RNA的扭轉會如何變化？

代博士說：「此問題的答案在過去二十年間一直眾說紛紜。」科學家一般預計，拉伸應該會減少DNA的扭轉。然而，2006年一項實驗卻觀察到拉伸反而會增加了DNA扭轉的趨勢。不過2014年，另一項實驗則觀察到拉伸減少了RNA扭轉，與DNA的趨勢相反。代博士坦言：「RNA和DNA具有相似結構，但居然顯示出相反的反應，這結果令人非常驚訝。」

在仔細分析各種條件下受外力促成的DNA和RNA扭轉變化後，研究團隊發現，取決於DNA或RNA所處的狀況，拉伸其實能增加亦能減少扭轉。代博士總結道：「我們基本上歸納出四種DNA和RNA的拉伸情況，而之前的研究只觀察到當中的幾種。」

研究團隊提出了統一的機制來解釋該四種情況。拉伸標準的DNA和已被壓縮的RNA會使它們扭轉得更多；相反，拉伸已延長的DNA和標準的RNA，會令它們扭轉得更少。

他們的研究結果已於學術期刊《Physical Review Letters》(《物理評論快報》)上發表，題為〈Multivalent Cations Reverse the Twist-Stretch Coupling of RNA〉。代博士、張教授以及譚教授均是論文的通訊作者。而來自香港城大物理學系的田馥嘉亦有參與研究，其他研究人員則來自武漢大學。

上述兩項研究獲得香港研究資助局和的國家自然科學基金委員會的資助而進行。