DNA超螺旋结构在DNA复制、转录和基因调控等过程中起着重要作用。这些结构的形成会导致DNA链内的应力增加。然而，在不同生物过程中，DNA需要及时释放这些应力以实现其功能。例如，在转录过程中，若DNA链内的应力得不到及时释放，就可能导致转录的延迟或停滞。因此，研究DNA超螺旋结构的释放机制具有重要意义。

      基于上述背景，南京大学物理学院任春来教授课题组采用基于粗粒化模型(oxDNA2)的朗之万模拟，对超螺旋DNA微环在双链断裂下的动力学演化进行了深入研究。该模型精确考虑了DNA碱基对之间的相互作用，因此在探究DNA分子动力学过程中结构演化方面具有显著的优势。图1展示了完整超螺旋DNA微环以及在双链断裂情况下的超螺旋微环结构示意图。

图1 (a) 超螺旋DNA微环结构; (b) 双链断裂情况下的超螺旋微环结构。

      为了研究断裂口位置对动力学过程的影响，我们根据DNA分子中两个碱基对之间的不同距离，将DNA分成两个区域：带状区域和环状区域，如图2所示。当断裂口位于带状区域时，应力和超螺旋的释放会迅速发生。然而，当断裂口位于环状区域时，应力释放过程较为耗时。

图2 (a) 超螺旋DNA的接触图，不同颜色代表着两个碱基对之间的不同距离。(b) 超螺旋环状DNA的带状和环状区域分布。

      在整个动力学过程(图3)中，超螺旋DNA微环的构象不断发生变化，但链内应力释放只在特定的时间发生，这在DNA分子连接数(Lk)出现突变时得到反映。当断裂口位于环状区域时，DNA首先必须经历构象的连续调整，以使得断裂口从环状区域变为带状区域，才能使得DNA链顺利穿过断裂口，进而引起应力和超螺旋的释放。因此，DNA构象的调整是应力释放的先决条件。

图3 DNA超螺旋微环应力释放的动力学过程。(a) DNA分子的扭转(Tw)程度变化；(b) DNA分子的扭曲(Wr)程度变化；(c) DNA分子的连接数(Lk)变化。其中Lk=Tw+Wr。(d)-(f) DNA第一次释放应力时的构型变化。

      此外，应力和超螺旋结构的释放不仅和断裂口大小相关，还与断裂口处两个碱基对的夹角密切相关。当碱基对的夹角较大时，应力能够顺利释放，超螺旋结构也能会消失。但当碱基对的夹角变小时，应力释放被抑制，超螺旋结构得以稳定存在。图4分析了碱基对夹角对超螺旋结构的影响。结果显示，当夹角较小时，DNA尾部链长(图4中的红色部分)变短，这影响了DNA构象的调整，从而使得DNA链无法穿过断裂口并释放应力。

图4 (a)-(d) 不同夹角下的超螺旋DNA微环构象。其中红色部分代表尾部链长。(e) 末端碱基对间的夹角和尾部链长关系。

      该研究工作成功揭示了双链断链下超螺旋DNA释放应力所需的条件，为理解拓扑异构酶II的工作原理提供了重要的理论支持。

      该工作即将发表在Chinese Journal of Polymer Science的"Charged Polymers"专辑。乔叶芃博士是该论文的第一作者，任春来教授为通讯作者。

原文信息：

Supercoiled DNA Minicircles under Double-strand Breaks

Qiao, Y. P.; Ren, C. L.

Chinese J. Polym. Sci. 

DOI: 10.1007/s10118-024-3106-8