《DNA与组蛋白的相互作用—核小体结构形成的动力学过程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《DNA与组蛋白的相互作用—核小体结构形成的动力学过程（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、南京师范大学硕士学位论文DNA与组蛋白的相互作用核小体结构形成的动力学过程姓名：李伟申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：王鹏业;童培庆2003.4.1声明本人郑重声明：1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。3 、本论文中所有实验、数据和有关材料均是真实的。4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。作者签名：童杠日期：2 0 0 3 0 3 2 0摘要D N A 分子是绝大多数生物的遗传信息的载体，它的三
2、联密码子指导氨基酸 按照一定的序列组装成生命活动极为重要的蛋白质分子。在真核生物中，D N A 分子缠绕在组蛋白上形成染色质保存在细胞的细胞核中。 必岔于的直径大约为2 纳米，但是D N A 分子一般都比较长，对人类来说， 一般有i 0 0 厘米左右的长度。这么长的D N A 分子是怎么有序的装入微米量级的 细胞核中的? 这是D N A 分子与组蛋白相互作用的结果。D N A 分子带强负电而组蛋白则带 正电，库仑相互作用起主要的作用。D N A 分子以左手的方式缠绕在组蛋白分子 上，形成核小体结构，多个核小体象“念珠”一样串联。然后，核小体链再进一 步压缩形成3 0 纳米的塑垡笪绫塑! 再经过
3、高级结构的挂婺形盛鎏鱼签? 随着单分子操作的实验技术的发展，人们通过光镊、磁镊、微吸管等等，研 究D N A 分子的力学性质，探索D N A 与蛋白质的相互作用，为分子生物学的研 究开辟了新的天地。 我们通过布朗动力学数值模拟，对D N A 与组蛋白的相互作用进行了研究。 在适当的参数条件下，得到了合理的结果，即D N A 能够缠绕组蛋白约两圈形成 准核小体结构。同时，我们也模拟了D N A 与多个组蛋白相互作用的结果，并且 得到了核小体链。我们对模拟的条件进行了详细的测试，总结了合理的实验条件。 并且，我们提出了组蛋白旋转模型来解释D N A 缠绕到组蛋白八聚体上去的方式。) ( 关键字：D
4、 N A 、组蛋白? 相互作用A BS T R A C TD N Ai st h em a i ng e n e t i cm a t e r i a l si nm o s tor g a n i s m T h ea m i n oa c i d sar ea i i a n g e db yt h eg e n e t i ct r i p l e tc o d et os y n t h e sp r o t e i n sw h i c ha r ev e r yi m p or t a n ti nor g a n i s m I ne u k a r y o t i cc e l
5、 l s ，D N Aisl o c a t e di nn u c l e o l usi nt h ef o r mo fc hr o m a t i nb Yc o m b i n i n gw i t hh is t o n eP I o t e i n s T h ed i a m e t ero fD N Aisa b o u t2o m ，b u tD N Am 0 1 e c u l e ri sv er y1 0 n gi n c o m m o n T oh u m a n t h e1 e n g t ho faD N Am o Ie c u l e ri sa b o
6、u t1 0 0e m H o wi st h el o n gD N Am o l e e u l e i 1 0 c a t e di n t on u c l e o l u sw h i c hi sa b o u taf e wm i cr o o s ?I tist h er e s u l to fi 1 1 t er a c t i o nb e t w e e nD N Aa n dh is t o n eP r o t e i ns D N Ah a sn e g a t i v ec h a r g e sa l l dh is t o n eh a sp o s i t
7、 i v eo n es S ot h ei n t e r a c t i o ob e t w e e nt h e misc o u l o m b i cf o r c e D N Aw i a p sa r o u n dh is t o n esi nl e f t h a n d e dw a ya n df o r m sn u c l e o s o m es t r u c t n r e M a n Yn n c l e o s o m e sa r e1 i n k e dt o g e t h er1 i k e “Pr a y erb e a ds ”T he n
8、o u c l e os o m ec ha i i lisc o m pr ess e di o t o3 0n ms 0 1 er l o i ds t i u c t ur e A t1 a s t ，c hr o m a t i ns tr u c t ur eisf or m e d W i c ht h ed e v e l o p m e n to fs i n g l em o l e c u l erm a n i p u l a t i o n M u c hr e s ea r c h w o r kh a sb e e nd o n eo nD N Ab yo p t
9、i c a lt w e e z e i ，m a g n e t i ct w e e z e r ，m i c r o P i p e a n ds o0 1 1 A 1 1t h e s ew o r kh a so p e i i e dan e wa r e ai nm 0 1 e c u erb i 0 1 0 9 y W ei l u m er i c a l l Ys i m u la t et hei n t er a c t i o nb e t w e e nD N Aa n dah is t o n e A n dw eg e tt h en u c l e os o
10、m es tr u c t ur e D N Aw r a psa r o u n dh is t o n ea b o u t2l o o p sA tt h es a m et i m e w es i m u l a t et h ei n t e r a c t i o nb e t we e nD N Aa n daf e wh is t o n es W ef i n dD N Ac a nw r a pa r 0 1 2 0 dh is t o n eP I o p e r l Yi 1I e a s o n a b l es i t u a t i o ns A t1as t
11、，w ep r o p os ean e wm o d e lt oi n t e r p r e tt h eP I o c e sso fD N Aw I a P P i n gar o u n dh is t o n e K e y w o r ds ：D N A ，h is t o n e ，i n t e r a c t i o n前很久以前，人们就知道生物体就有遗传的本领。但是在相当长的一段历史时 期里，人们对生物的研究停留在生物现象的研究。直到1 9 世纪末期德国化学家 沃尔滋弗莱明才通过显微镜发现了染色体，又过了几十年，人们证明了运载着 遗传信息的是D N A 分子。而后，人们
12、对D N A 分子的结构投入了大量的研究。 1 9 5 3 年弗朗西斯克里克和詹姆斯沃森提出了D N A 分子的双螺旋结构。人们 对D N A 的结构有了清楚的认识，对D N A 的行为的研究提供了基础。目前生物 研究到了分子的领域。 D N A 分子是两条反平行的核苷酸链构成，两条链之间通过碱基间的氢键作 用连接( A - - - - T ，G - - - - C ) 。D N A 分子的直径为2 纳米左右，D N A 分子的长度一般 相对较长。生物的遗传信息主要的流动方向是：从D N A 到R N A 到蛋白质，即 中心法则。遗传密码是三联密码，即三个碱基对应一个氨基酸。 随着光镊、微吸管
13、、磁镊、原子力显微镜等的微操作手段的不断发展，人们 可以直接去研究生物分子的力学问题。单分予操作技术的发展对生物领域的研究 注入了新的活力，开阔了人们的眼界。从而，为分子生物学的研究开辟了新的天地。 通过光镊等等的工具，人们开始研究D N A 分子的力学性质，并且研究D N A 与蛋白质的相互作用。观察D N A 也是比较困难的，因为D N A 很细，而D N A 分 子一般都很长。通常人们用染料分子去染色或用荧光分子去标定。这样就可以在 显微镜下看到D N A 并可以操作D N A 。朱棣文等 1 2 】用流动的液体去将D N A 分 子完全拉开。P h i l i p p eC l u z
14、 e l 3 等首先用光镊做拉伸D N A 的实验，得到了D N A 在被拉伸过程中双螺旋结构解开的图线，取得了成功。在这以后，大量的实验开 始进行。人们通过不同的方法去研究D N A 的性质：通过液体的流动去拉伸D N A ； 用磁镊去操纵D N A ；研究分子马达如何在D N A 链上运动等等 4 1 0 】。研究D N A 的主要目的是为了更好地研究D N A 与蛋白质的作用，去理解D N A 是如何展现 生命活动的过程：如何解旋，如何复制，如何将遗传信息转移，等等。蛋白质是 生物体中行使各种功能的大分子单元，通过这些微操作手段研究D N A 与蛋白质 的相互作用，从而有助于揭示生命活动
15、的秘密。 D N A 是细长的线性分子，人类的D N A 长度有1 0 0 厘米左右。而对真核生物 来说，D N A 是以染色体的形式被包在微米量级的细胞核中的，这样的压缩比达 到1 0 3 1 0 4 。那么D N A 分子是如何装入细胞核的? 这就是D N A 与组蛋白相互 作用，层层压缩的结果。D N A 首先绕组蛋白约两圈形成核小体结构，核小体链 再组装成3 0 纳米螺线管结构，螺线管进一步压缩形成超螺旋管结构，最后再压 缩形成染色体单体 1 1 - 1 6 。目前，人们对第一个层次，即核小体结构了解比较多 一点，对以后的高级结构了解很少，这是一个未知的世界。 前人已经做了许多的数值模
16、拟工作，人们对D N A 提出了好多的模型来帮助 解释实验结果：自由连接链模型、虫链模型、弹性链模型、梯子模型等等。也有 人采用蒙特卡罗算法计算D N A 的超螺旋结构，也有一些工作是采用布朗动力学 去求解核小体的结构 1 7 2 3 1 。占日我们感兴趣的是D N A 如何缠绕到组蛋白上去的动力学过程，这方面的工作 基本没有人去做。这个工作的意义在于，揭示D N A 与组蛋白的相互作用，从而形 成核小体的动力学过程，为研究D N A 的功能提供帮助。 我们知道，D N A 分子一般都带强的负电，带电部分主要是D N A 分子中的磷 酸根。而组蛋白则带正电。D N A 分子与组蛋白的相互作用主要为库仑力的作用。 根据电泳性质不同，生物体中的组蛋白分为H 1 、H 2 A 、H 2 B 、H 3 、H 4 这五种。 其中，H 1 为连接蛋白。H 2 A 、H 2 B 、H 3 、H 4 每种两个分子构成组蛋白八聚体， D N A 链就以左手的方式缠绕在这组蛋白八聚体上
