DNA结构模型三大物质新发现

kankankkh

(DNA结构模型学说的3大遗憾)
湖北省荣军医院基础医学研究室，王汉成 武汉 430074
摘要：在神秘的DNA结构模型上，尚未被发现的物质太多太多了。回故DNA结构模型不难发现，生命活性的最基本信息，其实在DNA结构模型发表时就曾几度明显的暗示过， DNA模型一级结构决定它的高级结构理论，被后来的研究不断的修补或充实，堂而煌之的认证为经典理论，严重地阻碍着生物科学的发展，是弱电大统一发展的基础。第二大发现DNA与外部离子的调节作用是基因表达调节控制的基础，DNA与蛋白质相互作用是相对论发展的基础。第三大发现系碱基间的氢键诱导与激发作用是量子生物学发展的基础，是引力场理论发展的基础。DNA结构稳定的主要因素是碱基间的氢键与上下碱基间的堆积以及DNA与蛋白质的相互作用这三大因素是决定DNA时空构象改变和遗传的重要因素，它们是互为因果不可分割的相互关系，在DNA结构模型上总结与发掘它们，是对DNA构象的稳定性下统一DNA、蛋白质之间的强、弱电、诱导引力相互统一作用的发掘，是对基因结构上实现了爱因斯坦统一场理论与实现了物理大统一场理论的发掘。
关键词： DNA模型结构 DNA不均一性 DNA多态性 DNA氢健能
Watson和Crick构建DNA双螺旋结构以来，生物生命科学已经跨越了整整半个世纪。我们无不感慨是DNA模型为现代分子生物学大厦奠定了如此伟大的基础。DNA一直被认为是决定生命遗传信息的核心物质，但是近些年的研究表明，生命遗传信息从来就不是DNA序列所能完全决定的，这种经典的遗传观念正面临着巨大的挑战。随着\"表观遗传学\"（epigenetics）的兴起和有关研究工作的进展，科学家们发现，可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰，这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。表观基因组学使人们对基因组的认识又增加了一个新视点⑴：对基因组而言，不仅仅是序列包含遗传信息，而且其修饰也可以记载遗传信息。越来越多的证据在向DNA模型结构决定论挑战。表观遗传学的出现，只是修补或充实了DNA绝对时空 、\"中心法则\"忽略的问题，即哪些因素决定了基因的正常转录和翻译以及修补了核酸并不是存储遗传信息的唯一载体。但是在神秘的DNA结构模型的生物学世界里，尚未被发现的太多太多了。错纵复杂的基因表达控制基础，无不与DNA结构模型习习相关。因此重新探索研究DNA结构模型，对于提示生命的活性基础，有着不可低估的价值。只要我们稍作仔细地回故DNA结构模型就不难发现，生命活性的最基本信息，其实在DNA结构模型发表时就曾几度明显的暗示过，那时只不过是DNA结构模型创建的开始。而如今分子生物学已经成功与辉煌，更加明确的鉴定了DNA结构模型的伟大、正确与几多遗憾⑵。ＤＮＡ结构模型上的第一大发现就其本身而言，就是ＤＮＡ结构模型的重大缺陷。但被后来的研究不断的修补或充实，堂而煌之的认证为DNA模型一级结构决定着它的高级结构理论，严重地阻碍着生物科学的发展。第二、第三大发现均系ＤＮＡ模型结构上的最新发现。又因决定DNA结构稳定的主要因素是碱基间的氢键与上下碱基间的堆积以及DNA与蛋白质的相互作用这三大因素是决定DNA时空构象改变和遗传的重要因素。它们是相互连贯互为因果的相互关系⑶，因此在ＤＮＡ结构模型上总结与发掘它们，是对功能基因物质基础，提供了绝对真实可靠的DNA上物质形态变化的唯物主义哲学思想.
  一大发现、DNA序列的不均一性、堆积能作用是决定DNA构象的重要因素碱基重叠的堆积能，是决定DNA时空构象的重要因素，遗憾的是DNA模型标准的碱基对却忽视了DNA序列的不均一性、碱基彼此之间的相互关系以及邻近碱基的堆积作用这个重要问题。从而导致了癌分子生物学中基因序列点突变、移位，病毒序列插入等，是癌发机制解释困难的直接原因。Watson及Crick的结构基本概念是两条核苷酸围绕同一轴旋成一双螺旋体，由于这种结构是扁平的而且下下相叠因此碱基的顺序是没有限制的，任何一对碱基对他邻近的是什么碱基也没有限制，碱基的平均距离为3.4A。这种标准的碱基间距离以及构象对邻近碱基种类以及堆积并无多大要求。 DNA序列的不均一性、堆积能作用在后来实际研究中越来越显示出它对DNA时空构象的重要性。关于核酸构象变化首当其冲便是碱基的堆积作用。如果就G、C碱基对间距离确定为了3.4A不变的情况下，碱基G对邻近碱基又有什么样的要求呢？从表3-7⑷可以看出对于大部分碱基算得最大稳定能的平均距离和实验值在3.4A相近偏差在0.5A以内，但是G或者G上重叠I碱基间距离分别为3.52或2.85A表明不同邻近碱基堆积能对标准碱基对有很大影响。相同碱基彼此之间重叠的堆积能都很小，特别是G、C的场合成为排斥能，这是是说在相同碱基重复存在的地方，表明DNA很难生成螺旋结构，或者即使形成也极不稳定，另处通过相邻碱基间旋转角度变化的堆积能和聚合物的稳定性实验表明，共聚物的X射线图和DNA图像几乎相同与实验结果很好符合。这些研究都表明碱基重叠的堆积能是决定核酸构象的重要因素。构象的稳定性满足堆积能的极小值原理，这是量子力学对于DNA双螺旋结构的贡献。 表3-7碱基重叠的平均距离和堆积能⑷ 在DNA的一级结构中，四种碱基a，t，c，g远非均匀分布，尽管双螺旋的构型大体相同，但沿着DNA链各处的物理结构不完全相同，各处双螺旋的稳定性也就显示出差别，充分体现了DNA一级结构决定高级结构的原理。在高等生物中，a+t与g＋c的含量差不多相等，然而在它们的染色体某一区域，a·t含量可能相当高。如在很多有重要调节功能的DNA区段都富含a·t，特别是在复制起点和启动子的pribnow框(真核生物为tata框)的序列中，其对于复制和起始十分重要。因为a－t对只有二条氢键，此处的双链较g－c对处易于解开，有利于起始复合物的形成。嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响。人们考察了十种相邻的二核苷酸对(nearest neighbor doublets)，发现一个非常有趣的现象，那就是碱基组成相同，但嘌呤和嘧啶的排列顺序不同，双螺旋的稳定性具有显著的差异。例如5′gc 3′　3′cg 5′和5′gc 3′　3′gc 5′的稳定性相差很大，前者的稳定性远大于后。它们的氢键数目是相同的，它们的差别在于相邻碱基之间的堆集力不同。即从嘌呤到嘧啶的方向的碱基堆集作用显著地大于同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基堆集作用。(这里的方向就是常规的从5′端到3′端的方向)。这是因为前者的嘌呤环和嘧啶环重迭面积大于后者的嘧啶环和嘌呤环的重迭面积，这在b型DNA中确是如此。从日常实验中我们经常可以观察到DNA一级结构的转录信息、启动、调节信号、以及终止信号，它们都直接干预某一位点上的DNA构象变化，影响基因的正常表达。DNA点突变、DNA转座，基因变换等都是由于DNA序列的变化以及相邻DNA序列的堆积，影响到DNA模型碱基对之间距离的变化，而引起DNA构象的改变。从以上理论、实践以及分子生物学研究进展表明，碱基重叠的堆积能作用，是决定DNA构象的重要因素，也是基因表达调节的重要内容。遗憾的是DNA结构模型只注重碱基之间的正常匹配遗传机制，而忽视了DNA序列的不均一性、碱基的堆积能作用，作为现代分子生物学基因表达调节控制的重要基础的DNA结构模型理论出现了问题，它直接干预的基因的表达调节控制原理，就显然地可想而知了，现在我们己经清楚了碱基重叠的堆积能作用在基因表达调节机制中的重要作用，象DNA双螺旋结构的核酸，除了碱基的堆积作用十分重要外，DNA与外部离子的调节作用，碱基间的氢键能作用同样是决定着其稳定性和时空构象的重要因素。
二大发现、DNA构象的可变性与它周围的水离子浓度变化相关连蛋白质与DNA相互作用是真核生物DNA结构变化的重要因素，DNA结构模型注意到但却忽视了这个极其重要问题：为DNA结构模型提供决定性证据的是Wilkins以及同 的工作，在进行X射线图谱时，湿度达75%时DNA构象为A型，改变温度达92%时，DNA具有另一种B型结构。后来的研究进一步发现C、D分子结构，这些研究都表明DNA分子结构的可变性与它周围的水离子浓度变化相关连。无独有偶，在DNA结构模型建立前的1952年，Anobrose在使用摇蚊幼虫巨型染色体实验时，简单地通过改变细胞周围介质的盐浓度从而改变核蛋白体上的有效电荷可以使染色体可逆地展开与收缩⑸。这些简捷的离子调节DNA扩展与收缩的现象。无论是在当时或现在，都视它为极其普通的原理。沃森、克里克与现代研究都极大遗憾地忽视了这一简捷的调节DNA构型变化原理，正是人类梦寐以求的生命活性信息基础。 Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于b型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行x－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。然而以后的研究表明DNA的结构是动态的。在以钾或绝作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的x－射线衍射图给出的是a构象，a－DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成a－DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。由于大沟、小沟是DNA行使功能时蛋白质的识别位点，所以由b－DNA变为a－DNA后，蛋白质对DNA分子的识别也发生了相应变化。大部分DNA由b－DNA经过c－DNA，最终变构为a－DNA。若DNA双链中一条链被相应的RNA链所替换，会变构成a－DNA。当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是a－DNA。由此可见a－DNA构象对基因表达有重要意义。此外，b－DNA双链都被RNA链所取代而得到由两条RNA链组成的双螺旋结构也是a－DNA。除a－DNA、b－DNA螺旋外，还存在b′－DNA、c－DNA、d－DNA等，总之，DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡中，DNA分子构象的变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。在某些情况下DNA还可以以Z型的左手螺旋形式存在。由韩国成均馆大学的河圣哲博士和金璟圭教授及中央大学的金洋均教授组成的联合课题组10月19日宣布，他们在全球范围内率先破译了一条DNA链是如何将右手螺旋B型DNA和左手螺旋Z型DNA连接起来的晶体三维结构⑹。z－DNA有什么生物学意义呢?应当指出z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构与基因调节有关。比如sv40增强子区中就有此结构，又如鼠类微小病毒dns复制区起始点附近有gc交替排列序列。此外，DNA螺旋上沟的特征在其信息表达过程中起关键作用。调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原子供体或受体相互作用，形成氢键从而识别DNA上的遗传信息的。大沟所带的遗传信息比小沟多。沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。Z DNA中大沟消失，小沟狭而深，使调控蛋白识别方式也发生变化。这些都暗示zDNA的存在不仅仅是由于DNA中出现嘌呤一啶嘧交替排列之结果，也一定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与结构不断调整与筛选的结果，有其内在而深刻的含意，只是人们还未充分认识而已。 DNA构象的可变性，或者说DNA二级结构的多态性的发现拓宽了人们的视野⑺。原来，生物体中最为稳定的遗传物质也可以采用不同的姿态来实现其丰富多采的生物学功能。真核生物基因转录表达活性的基础是染色体变化→DNA甲基化→DNA结构类型变化→形成转录起始复合物。DNA构象变化是基因活性表达所必需具备的先决条件。随着DNA测序研究的胜利完成，半个世纪以来，人们在DNA四周发现了许多特异的结合蛋白质，它们特异地与DNA分子结合，调控DNA构象扩展与收缩。各种蛋白质种类、性质以及叠加控制原理与同DNA四周离子条件的变化对DNA构象进行外部因素的调节控制。DNA和蛋白质间的相互作用，在分子生物学中极其重要。酸性蛋白和像组蛋白样的碱性蛋白与DNA形成染色质的复合物，形成染色体的基本结构。组蛋白表现出一种非特异阻遏物的作用，抑制DNA为模板的RNA合成，相反，在复杂的和不均一的非组合蛋白中有些分子似乎能调节 DNA的分子转录。组蛋白的抑制、压缩、DNA的分子构象，非组蛋白质上的调控作用打开和扩展DNA分子构象使DNA分子在压缩 扩展中表现出活的生命信息来，DNA分子除了外部调节蛋白、特异的蛋白质，激素等外部因素的调节因子作用处。DNA内部因素碱基间的堆积能，氢键能同样也是造成DNA构象改变的重要因素。它们之间的相互作用，使DNA构象信息呈现多元化，进一步丰富了DNA模型结构信息⑻。DNA结构模型的宗旨是DNA一级结构决定着它的高级结构。现在看来简捷的离子调节原理，模似了DNA、蛋白质相互作用，都能改变DNA构象。生物中的DNA分子实际上都是以复合体形成而存在。它们的结构自然取决与蛋白质结合的性质，就其结构类型而言都是无穷个改变了的DNA结构。因此都改变着DNA模型结构这一神圣的宗旨。丛多的调控信息，使DNA结构产生出丛多复杂的螺旋构象信息，比较起单一的DNA，A、B构象来看，不能不说DNA模型结构是否会感到遗憾⑼，简捷的离子调控原理，使DNA分子能扩展，收缩的生命活性信息基础，竟被放置了半个世纪，现在看来DNA结构模型除了它本身的结构信息外，它与外界各大分子的相互作用，都能影响、改变着它本身的构象信息，因此，DNA空间结构信息同样十分重要，同样包含着相当丰富的构象信息与生命的活性信息它将使得DNA结构模型更趋向于健全、完美。
  三大发现、DNA与外界物质相互作用诱导的氢健能同样是DNA构象的重要因素 DNA双螺旋A、B构型碱基对之间氢键键长的伸展变化，显示出氢键能是稳定DNA构象的重要因素，遗憾的是DNA模型忽视了氢键这个最简单但却是最重要的稳定因素： DNA双螺旋结构类型取决于DNA的溶解条件。即DNA纤维、盐和水的含量，相对湿度92%时表现为B型结构，若DNA相对湿度为75%时，DNA螺旋则为A型结构。A、B螺旋碱基间的距离长短的变化随DNA构象改变而伸缩。DNA构象变化时氢键键长的伸长和缩短支持着碱基间距离。这是一件非常简单的现象，然而其中则贮藏着相当深奥的量子信息基本概念。 表15-4　不同右手双螺旋DNA的结构参数 双螺旋 碱基倾 碱基夹 碱基间距 螺距 每轮碱 小沟宽／nm× 大沟宽nm× 　 角／（°） 角（°） /nm ／nm 基数 小沟宽nm 大沟宽nm B-DNA 0 36.0 0.337 3.4 10 0.57×0.75 1.17×0.85 C-DNA 6 38.0 0.331 3.1 9.3 0.48×0.79 1.05×0.75 D-DNA 　 45.0 0.303 　 　 0.13×0.67 0.89×0.58 A-DAN 20 32.7 0.256 2.8 11 1.10×0.28 0.27×1.35 生物体错纵复杂的中心都是紧围绕着氢键的切断和生存而运筹的。氢键不仅具有高度的准确性，而且也具备有不稳定性这两个相互矛盾的功能，使生物体内的氢键具有柔韧性、贮存能量、以及质子与电子转移等多项功能。蛋白质分子与DNA分子相互作用，都是极性分子之间的电场相互作用，能诱导碱基间的氢键电子产生取向运动。组蛋白是一种碱性蛋白、带正电性，与酸性的多聚阴离子DNA电场相互作用，诱导氢电子向蛋白质方向运动，氢核更加暴露，DNA双螺旋结构进一步压缩。如此同时，电泳迁移率很高的非组蛋白中，极性基因特别多，与结构蛋白质的集聚调整了整个组蛋白负电性与DNA电场相斥，排斥氢键电子，使DNA螺旋伸展。氢键电子被诱导，排斥、电子云密度发生双向运动，使简单的氢键表现出复杂的生命活性现象来。改变离子强度或改变磷酸二酯键骨架上的负电荷阳离子性质时这两种构型可以转换，撤消负电荷后，DNA管状物被拉长了，没有恢复到原来长度。而核蛋白是有弹性的，并未发现变性现象，牢固性比自由DNA大2-2.5倍，这表明原核中DNA氢键能脆弱并无太多的生物学意义，DNA构象基本只取决四周离子变化以及DNA一级结构碱基组成。然而真核生物DNA则是与蛋白质相互作用，使核蛋白分子具有相当柔韧结构，氢键键能将在这里很大程度的影响DAN构象变化。我们知道多数细胞的DNA几乎都是右旋B型结构，但也证实染色体中存在着Z型DNA分子。在生物体内的DAN结构是不能自发产生的，一种构型转变为另一种构型，需要这两种构型之间能量差才能使转变成为可能，从B-DNA到Z-DNA的转变所需自由能是两个参数自由能之合。Z-DNA中双链之间的距离比B-DNA大，与蛋白质的亲和力要更高一些。研究还表明Z-DNA没有方向性与它所取染色体位置无关，在基因结构上并没有长的共同碱基顺序，而只有一个比较短的 AAA 共同核心顺序GTGG TTT G。这些迹象都表明B-DNA至Z-DNA结构的转变，并不完全取决于四周离子与DNA一级结构序列的影响而更取决于DNA两链间氢键键能的支持。在生物体内，以及病毒分子中也发现负超螺旋组成的DNA分子，这样分子具有较大的能量，当DNA结构变化需要能量时，如果DNA是负超螺旋则可能提供能量供分开两链之用，业已检测在生物体内所有基因组约每200bp有一负超螺旋其密度为-0.05，该分子载存能量为-37.7kj/mol。⑽ 还有比较著明的是苏联学者（1950年）的牢固的核蛋白的紫外线吸收峰测定实验表明，蛋白质与DAN结合比较牢固时，紫外线吸收峰蓝移5-8毫微米所相当于相互用用能量是每克人子为2-3行卡。类似复合体的牢固性与难分解性都有赖于此。单从DNA构型变化上看，从A型结构转变成B型结构。这种构的转变实际上也就是一种量子的跃迁，氢键电子受诱导电场的相互作用，形成为激子与DNA构象变化耦合在生物活性中。DNA分子与蛋白质分子相互作用，能诱导激发碱基中的氢键电子产生取向诱导作用使氢键这个最简单、最普通的分子在DNA与蛋白质复杂的极性电场中，诱导激发运动，由此而产生出DNA生命时间的结构信息。遗憾的是DNA结构模型注意到但都没能捕捉到这个最简单，但却是最复杂的生命信息。 我们回顾、研究、探索DNA结构，其目的是要全面认识真核生物活性机制，与基因表达调节控制问题。DNA结构模型遗憾的三大问题，实际上也正是DNA构象稳定的主要因素，⒈DNA序列的不均一性、±邻近碱基干扰 DNA构象。堆积能作用在后来实际研究中越来越显示出它对DNA时空构象的重要性。DNA序列的不均一、堆积能作用的弱电统一性是决定DNA、蛋白质其构象的重要因素：⒉DNA、蛋白质强电相互作用，诱导的氢键电子激发运动是决定其构象的重要因素⒊DNA、蛋白质相互作用产生的诱导引力场统一了DNA、蛋白质之间的强、弱电相互作用，基因结构在DNA构象的稳定性下统一了DNA、蛋白质之间的强、弱电、诱导引力相互统一作用，是爱因斯坦超大统一场理论梦想的地方。是物理学统一场理论实现的地方。 这些因素不光决定DNA构象、基因表达调节控制，而且是DNA时空构象的重要因素。与DNA形成螺旋的专一性以及DNA向RNA过渡的专一性都密切相关。清楚了这三大遗憾，生命现象将更加清晰、明朗。是DNA结构模型充满了半个世纪以来的辉煌，然而也正是DNA模型一级结构决定着它的高级结构论阻碍着量子生物学的发展。发掘DNA结构模型三大遗憾，二十一世纪将在量子生物学上统一起来，以实现自然科学的全面统一。
参考文献　 ⑴ Epigenomics AG. Biocompare (http://www.biocompare.cora,) , 2003 ⑵Watson，J.D.and Crick，F.H.C.(1953).Molecular Stru_cture of nucleic acid：a structure of deoxyrijbose nucleic acid Nature，Lond，171，737-8 ⑶[美]D.沃伊特,J.G沃伊特,C.W普抗特著. 基础生物化学(上,下册).科学出版社,2003.8(朱德煦,郑昌学主译). ⑷[日]永田亲义著《量子生物学入门》1975，P41，43. ⑸Callan，H.G， The nature of lampbrush Chromosomes.lnt.Reu.Cytol. 15，1，1963. ⑹Sung Chul Ha, Ky Lowenhaupt, Alexander Rich, Yang-Gyun Kim and Kyeong Kyu Kim. Crystal structure of a junction between B-DNA and Z-DNA reveals two extruded bases. Nature 437, 1183-1186 (20 October 2005) ⑺.Marcotte E.M.,Pellegrini M.,Thompson M.J.,et al. A combined algorithm for genome-wide prediction of protein function. Nature, 1999, 402:83-86 ⑻郑仲承 李敏棠 编著 基因表达的调节控制 P55-127. ⑼)王联结.生物化学与分子生物学(第二版).科学出版社,2004. ⑽ Montoro J C J, Abascal L F. The Free Energy Difference Between Simple Models of B- and Z-DNA: Computer Simulation and Theoretical Predictions. J. Chem. Phys., 1997, 106:8239～8253 ⑽Howell M L, Schroth G P, Ho P S. Sequence-Dependent Effects of Spermine on the Thermodynamics of the B-DNA to Z-DNA Transition. Biochemistry, 1996, 35:15373～15382