随着生命科学的研究逐步聚焦于分子层面，研究行为背后的分子机制和单个分子的性质成为纳米生物技术领域的热点。利用纳米技术，在纳米尺寸控制、操作单个分子，并在单分子水平研究分子的物理和化学性质，可以剔除大量分子导致的系综误差，有助于阐明分子的工作机制，具有重要的研究意义。固态纳米孔技术是近年发展起来的无需标记的单分子探测技术，可以对单个分子进行尺寸、带电量和力学的研究。固态纳米孔是在绝缘薄膜表面加工的尺度在几纳米的小孔，通常被固定在装满离子溶液的两个泳池中；在这两个泳池中分别置入两个电极，可以为单分子穿孔提供驱动力，同时采集通过孔道的离子电流，以及离子电流所携带的分子尺寸和带电量等信息。这种单分子力学表征方式无需标记，简单快速，具有重要的发展前景。核小体是染色体的基本结构单位，由八个组蛋白和缠绕在外围的DNA分子构成，DNA分子与组蛋白分子缠绕的紧密程度（代表核小体结构的稳定性）会直接影响后续该段DNA的复制和表达。长期以来，修饰后作用被认为对核小体的稳定性和基因表达有直接影响，但由于探测技术有限，组蛋白的后修饰（例如泛素化修饰）对核小体结构的影响一直没有定论。

近日，人工微结构和介观物理国家重点实验室（北京大学）赵清教授课题组与中国科学院生物物理研究所李国红研究员课题组合作，利用固态纳米孔力学表征技术实现了对单个核小体分子的操控，进而研究了两种组蛋白后修饰对核小体结构的影响。联合研究团队首先利用实验表明纳米孔内DNA所受到的力以及核小体和组蛋白之间的相互作用力是决定核小体穿孔信号类型的两个重要因素（图1），并通过改变施加电场的大小，发现了DNA从组蛋白上解离的临界电压（图2）；在此基础上，探测了两种泛素化修饰的组蛋白对核小体稳定性的影响，发现H2A组蛋白上的泛素化增强了DNA和组蛋白之间的相互作用，而H2B组蛋白上的泛素化减弱了DNA和组蛋白之间的相互作用，从而使核小体结构不稳定，有利于后续基因表达。该技术有望发展成为低成本、快速的核小体泛素化探测手段，对基于泛素化的基因调控研究具有重要意义。

图1 （a-e）交联核小体的穿孔示意图和离子电流信号；（f）COMSOL模拟核小体被纳米孔捕获后孔内的电场分布；（g）作用在DNA上的力随电压的变化

图2 （左图）穿孔电流信号的平均穿孔时间随电压的变化以及解离临界电压；（右图）核小体的穿孔示意图

2022年1月21日，相关研究成果以“利用固态纳米孔探测组蛋白泛素化对单个核小体的影响”（Probing the effect of ubiquitinated histone on mononucleosomes by translocation dynamics study through solid-state Nanopores）为题，在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）；北京大学物理学院博士后胡蕊和中国科学院生物物理研究所博士后刘翠芳为共同第一作者，赵清和李国红为共同通讯作者。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金，及北京大学长三角光电科学研究院、量子物质材料协同创新中心等支持。

论文原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02978

信息来源：北京大学物理学院网站