无论是在病毒还是在细胞中，DNA皆以紧密压缩的结构存在。比如，在真核细胞中，DNA缠绕在组蛋白周围形成核小体，并进一步凝聚成大家熟知的染色体结构。在哺乳动物精子中，DNA凝聚成更致密的面包圈状（toroid）结构。了解DNA这些紧密排列的结构，并分析它们形成的动力学过程，对认识DNA复制甚至繁殖等生命过程皆有重要的意义。尽管对DNA凝聚的研究有近半个世纪的历史，人们对其动力学仍然知之甚少。
利用单分子操纵技术，研究人员可以在体外模拟单个DNA分子的凝聚。例如，中科院物理研究所李明研究员等在2006年用单分子磁镊研究了多价阳离子作用下DNA的凝聚动力学，利用施加于DNA上的张力使其凝聚速率降低，在有限的时间分辨率下发现了DNA的非连续凝聚行为，并揭示了张力对DNA凝聚动力学的影响[（J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15040）]。
DNA是半柔性的高分子链，可以用弯曲弹性和扭转弹性描述其力学性质。哺乳动物精子中的DNA凝聚成面包圈状（toroid）的特殊结构以及实验中所观察到的非连续凝聚行为的物理根源是DNA的弯曲弹性。但DNA的扭转弹性对DNA的凝聚有多大影响，还没有明确说法。
最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）李伟副研究员与李明研究员、王鹏业研究员以及新加坡国立大学严洁教授合作，用单分子技术研究了DNA的扭转对其凝聚动力学的影响。他们用直径约1微米的超顺磁球将一根约3微米长的DNA悬挂在磁场中，用磁镊操纵单个DNA分子。当DNA的两条链的端点都被固定时（一端固定在显微镜盖玻片上，另一端固定在超顺磁球上），DNA的扭转受到限制。实验发现，DNA在凝聚过程中其扭转弹性势能会不断累积。当扭转弹性能积累到一定程度时，DNA在某一点达到凝聚与去凝聚之间的动态平衡。理论上，DNA的凝聚动力学由高价离子介导的DNA片段间的相互吸引和DNA两端所受的张力共同决定，而扭转弹性势能可调控DNA的凝聚，使系统自动到达凝聚平衡。
该工作首次明确了DNA的扭转弹性对DNA凝聚的影响，加深了人们对体内DNA凝聚的认识。例如，在DNA凝聚体与哺乳动物精子的核基质的结合部位有较大量的拓扑异构酶（一种释放DNA超螺旋的酶）。这些酶在该结合部位起什么作用还不十分清楚。本工作似乎暗示它们可能与DNA的凝聚有关联，用于释放DNA的扭转以便DNA充分凝聚。
相关结果发表在Physical Review Letters上（Phy. Rev. Lett. 2012, 109 218102）。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部973项目和中国科学院的资助。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.218102
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Impact of DNA Twist Accumulation on Progressive Helical Wrapping of Torsionally Constrained DNA
Wei Li1, Peng-Ye Wang1, Jie Yan2,*, and Ming Li1,†
DNA wrapping is an important mechanism for chromosomal DNA packaging in cells and viruses. Previous studies of DNA wrapping have been performed mostly on torsionally unconstrained DNA, while in vivo DNA is often under torsional constraint. In this study, we extend a previously proposed theoretical model for wrapping of torsionally unconstrained DNA to a new model including the contribution of DNA twist energy, which influences DNA wrapping drastically. In particular, due to accumulation of twist energy during DNA wrapping, it predicts a finite amount of DNA that can be wrapped on a helical spool. The predictions of the new model are tested by single-molecule study of DNA wrapping under torsional constraint using magnetic tweezers. The theoretical predictions and the experimental results are consistent with each other and their implications are discussed.
