基因在压力下发生扭曲——一项关于DNA的新发现改写了我们对基因的认知

【中国观察2025年08月28日讯】

几十年来，科学家们一直认为，DNA在高速测序过程中卡住时会缠成结。但剑桥大学的一项开创性研究揭示了一些更精妙、更令人惊讶的现象。这些“结”根本不是结。它们是螺旋体（plectoneme），是DNA在压力下扭曲时形成的动态线圈，就像电话线在拉力下盘旋一样。这项发现不仅改变了我们读取DNA的方式，还可能改写我们对基因如何启动、细胞如何分裂，甚至疾病如何发生的理解。

这不仅仅是实验室实验的巧合。在你的体内，随着细胞的生长和自我修复，DNA 会不断被拉伸、复制和扭曲。当这种扭曲出现问题时，它会扰乱基因的功能，从而可能导致癌症、神经系统疾病或发育缺陷。发表在《物理评论 X 》上的这项新发现表明，这些曾经被视为数据噪音的螺旋，可能在生命的戏剧中扮演着至关重要的角色。如果科学家能够像解读语言一样解读这些扭曲，他们或许就能找到诊断疾病、设计药物，甚至精确编辑基因的新方法。

要点：

DNA 的“结”并不总是结——许多都是 DNA 在压力下扭曲时形成的螺旋状物，即弹簧状线圈，这一发现挑战了遗传学研究中数十年的假设。

纳米孔测序是一种读取 DNA 的革命性工具，但它可能误解了信号——科学家们认为的结可能是这些线圈，它们的行为不同，可能会影响基因活动。

线圈的形成是由于扭矩，即 DNA 被拉过纳米孔时产生的扭转力——这种力可能在细胞内的 DNA 复制和转录等自然过程中发挥作用。

DNA 链的断裂（称为“缺口”）会减少螺旋的形成，证明扭转应力是这些结构背后的驱动力，并提出了一种检测 DNA 损伤的新方法。

这一发现可能会改变纳米孔技术，使其更准确地用于测序、疾病诊断，甚至研究基因在生物体内如何被控制。

除了实验室之外，这项研究还暗示了一个更深层次的事实：DNA不仅仅是一个静态代码——它是一个动态的、可扭曲的分子，其形状可能与其序列一样重要。
消失的绳结之谜
多年来，科学家们一直利用纳米孔（膜上的微孔）来读取DNA，就像读取纸带一样。当一条DNA链穿过纳米孔时，它会干扰电流，从而显示其遗传字母：A、T、C、G。但有时，电流会以与预期序列不匹配的方式中断。主流理论是？DNA打结了，像鞋带被门夹住一样卡在纳米孔里。

剑桥大学卡文迪什实验室的物理学家乌尔里希·凯泽（Ulrich Keyser）对此并不十分确定。“在纳米孔信号中，结和多聚体看起来非常相似，”他解释道，“但它们的物理机制却截然不同。” 结是紧密缠绕的环状结构——就像打成老奶奶结的花园水管。而多聚体则更像是盘绕的电话线，是由一根线在拉力作用下自我缠绕而形成的。为了验证两者的区别，凯泽的团队设计了一个实验，迫使DNA在进入纳米孔时旋转，模拟其在细胞内可能经历的扭转力。

他们的发现令人震惊。DNA不仅仅是打结，而是卷曲起来，形成了宽度达2100纳米（约为人类头发宽度的五十分之一）的螺旋状结构。当他们增加拉动DNA的电压时，这种卷曲变得更加明显。而当他们在DNA链上引入微小的断裂，或“缺口”——模拟自然损伤——时，这种卷曲消失了。“当我们控制分子的旋转能力时，我们可以改变螺旋状结构出现的频率，”凯泽说。这证明了：这些根本不是结。它们是动态结构，由与活细胞内扭曲DNA相同的力塑造。

为什么扭曲的DNA对你的健康很重要
乍一看，这似乎是一个抽象的物理问题。但其影响却波及到外部，触及生物学中一些最基本的问题。在你的细胞内，DNA并非自由漂浮——它被挤压、环绕并扭曲成复杂的形状，帮助调控基因的开启或关闭。当细胞复制DNA（在复制过程中）或将其转录成RNA（用于制造蛋白质）时，DNA分子会像橡皮筋一样被拉伸和扭曲。如果这种扭曲不受控制，就可能导致错误——可能引发癌症的突变，或干扰发育的基因表达失常。

Keyser 怀疑，多聚体可能是细胞应对这种压力的自然方式。“我相信分子的扭转实际上可以促进其他结构的形成，例如 i-基序和 G-四链体，”他指的是与基因调控和疾病相关的异常 DNA 形状。如果多聚体在转录或复制过程中形成，它们可能像分子制动器一样，减缓原本可能失控的进程。

这一发现对医学也具有实际意义。纳米孔测序已用于诊断遗传疾病、追踪感染，甚至从血液样本中检测癌症。但如果这些螺旋体一直伪装成结，那么其中一些读数可能不准确。“DNA分子能够挤过纳米孔，而其刚度应该远大于孔径，这一事实本身就令人惊叹，”新加坡国立大学物理学家斯拉文·加拉杰（Slaven Garaj，未参与这项研究）说道。通过调整纳米孔中的条件——例如调整盐浓度、电压或孔的形状——科学家或许能够区分真正的结和这些螺旋体，从而提高测序的精确度。

或许最有趣的是，这项研究暗示了一种检测DNA损伤的新方法。由于DNA链上的缺口会阻止DNA螺旋的形成，监测这些螺旋可能成为发现断裂的工具——对可能导致疾病的遗传不稳定性进行早期预警。

更深层次的真相：DNA是一种活生生的、扭曲的代码
除了直接的应用之外，这项研究还触及了一个深刻的理念：DNA不仅仅是一串静态的字母。它是一种动态的、可扭曲的分子，其形状与序列同样重要。几十年来，科学家们一直专注于研究遗传密码——A、T、C和G——作为生命指令的唯一决定因素。但如果DNA的扭曲和卷曲方式也承载着信息呢？如果作用于分子的物理压力——无论是来自实验室的纳米孔还是细胞内的酶——是生命本身语言的一部分呢？

这并非仅仅是推测。研究表明，DNA的三维结构会影响哪些基因处于活跃状态。环状结构和螺旋状结构可以将远距离的基因连接起来，像调光开关一样控制它们的开启或关闭。如果多聚体在这些过程中自然形成，它们可能是该调控系统的一部分——一种细胞微调其基因交响曲的方式。

凯泽的研究表明，我们仅仅触及了生物学这层隐秘的皮毛。“我们的研究结果表明，借助基于纳米孔的装置，这一限制可以得到克服，”他指的是研究活细胞中DNA螺旋的挑战。通过改进纳米孔技术，科学家们或许有一天能够实时观察DNA的卷绕和解开，不仅能解码遗传文本，还能解读其读取方式的物理奥秘。

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