佐治亚理工生物科学院研究人员发现人类基因组新层面

由美国佐治亚理工学院（Georgia Tech）生物科学学院教授、帕克·H·佩蒂特生物工程与生物科学研究所成员Francesca Storici领导的研究团队的最近一项研究，揭示了人类DNA的一个意想不到的特征，该特征与基因活性和DNA的物理结构密切相关。这项已发表在《细胞》（Cell）杂志上的研究成果，可能会改变科学家们对DNA结构、转录和基因组功能的认知。

DNA和RNA通常是细胞内独立的分子，各自承担不同的功能。但在正常的细胞活动中，一些被称为核糖核苷酸的小型RNA组成单元有时会嵌入DNA中。科学家们早就知道这些RNA组成单元的存在，但直到现在，他们仍然不清楚它们在人类基因组中的具体位置，也不知道它们是否具有某种功能。

Storici的团队与多家机构的合作者共同绘制了人类DNA中这些RNA组成单元的详细图谱。研究人员发现，它们并非随机分布，而是以独特的模式分布于整个基因组中。研究人员将这种遍布基因组的DNA嵌入核糖核苷酸图谱称为人类核“核糖组”。

“传统观点认为，DNA中嵌入的核糖核苷酸主要是一种需要去除的错误，”Storici说。“我们的发现表明了一种不同的观点：它们可以影响DNA的物理特性，并且可能具有我们目前才刚刚开始了解的生物学功能。”

研究团队发现，这些嵌入的RNA构建单元在活性基因的起始点附近尤为常见，细胞正是从这些起始点开始读取遗传指令以合成RNA。它们的丰度也会随着基因活性的增强而增加。由于DNA被反复访问和使用，这些区域会承受物理压力。研究人员发现，这些嵌入的RNA构建单元会影响DNA在这些区域的扭曲和缠绕程度。这种被称为超螺旋的DNA扭曲现象与转录密切相关。

研究结果表明，这些RNA构建单元并非正常细胞过程中偶然产生的残留物。相反，它们可以调节DNA超螺旋结构，揭示了嵌入的核糖核苷酸、DNA拓扑结构和转录之间此前未被认识的联系。

Storici说：“最令人兴奋的发现之一是，对嵌入DNA中的核糖核苷酸进行加工可以改变DNA的超螺旋结构。这为DNA的化学组成、物理结构和转录之间建立了一种新的联系。”

这项研究还有助于科学家更好地了解与DNA中嵌入RNA清除障碍相关的疾病，包括罕见的自身免疫性疾病。更广泛地说，这项发现可能开辟一个全新的研究领域，探索嵌入的核糖核苷酸在人类基因组生物学中的作用。

这项研究首次全面绘制了人类核DNA中这些RNA标记的分布图，表明曾经看似简单的分子错误实际上可能影响基因组的组织和功能。这一发现为探索嵌入的核糖核苷酸如何影响DNA拓扑结构、转录和基因组维持开辟了新的途径。

佐治亚理工工程学院研究人员发现软材料粘附的新机制

任何撕掉创可贴的人都知道速度很重要。传统观点和数十年的粘附力研究表明，撕得越快，粘附力就越强。但佐治亚理工学院的研究人员发现，软材料的行为可能远比这更出人意料。

软水凝胶的粘附性并非像人们通常认为的那样随着拉伸而逐渐增强，而是随着拉伸速度的增加先降低后增强，这揭示了一个此前未知的“最佳分离点”。该发现挑战了粘附力学中一个长期存在的假设，并揭示了一种控制软材料粘附和分离的全新物理机制。

“我们原本预期粘附力会像经典理论预测的那样，随着拉伸速度的增加而持续增加，”乔治·伍德拉夫机械工程学院和化学与生物分子工程学院的副教授胡宇航（上图左二）说。“然而，我们发现，在很宽的速度范围内，粘附力却恰恰相反。这告诉我们，其中必然存在一种完全不同的物理过程。”

研究团队利用高精度原子力显微镜，测量了水凝胶在四个数量级拉伸速度下的粘附力。他们发现，粘附力并非如预期那样先减弱后增强，而是先减弱后增强。为了解释这一现象，研究人员建立了一个新的理论框架，表明粘附力受两种相互竞争的分子过程控制。当两个表面保持接触时，粘附键会持续形成；而当受到机械载荷时，这些键也会发生松弛。这两种过程之间的竞争导致了粘附力的意外下降。

研究人员随后利用共聚焦显微镜直接观察水凝胶与表面之间的接触区域，证实了理论预测，并为新发现的机制提供了独立的证据。

该论文已经发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。 

尽管这项研究的重点是水凝胶，但其发现并不局限于单一材料。许多生物组织，包括软骨、皮肤和细胞外基质，以及新兴的软组织技术，例如可穿戴传感器、组织粘合剂、药物输送系统和软体机器人，都依赖于动态粘附。了解粘附力何时增强或减弱，有助于工程师设计出更容易释放、抓握更牢固或能自动适应环境变化的界面。

“这改变了我们对软材料粘附性的思考方式，”胡说。“我们不再纠结于拉动速度快慢哪个更能增加粘附力，而是认识到粘附力是由相互竞争的分子钟控制的。一旦我们理解了这些时间尺度，我们就可以开始设计具有全新行为的界面。”

该发现为理解软材料界面提供了一个新的框架，并可能影响未来生物医学设备、仿生粘合剂、软体机器人抓手以及其他控制附着和脱离至关重要的技术的设计。

（美国华文网编发）