平行DNA霍利迪结：神话还是现实？一项原子级分子动力学研究

Holliday 结（HJ）是同源重组过程中的关键中间体，也是 DNA 纳米技术中的基本构筑单元。尽管经典的反平行 stacked-X 构象已通过 X 射线晶体学得到广泛表征，但平行 HJ 构象是否在水溶液中存在仍未得到解决。在此，我们利用大规模全原子分子动力学（MD）模拟和复制交换伞形采样（REUS）自由能计算来探讨这一问题。以经典反平行 HJ 为起始构象，标准 MD 模拟偶尔揭示出在微秒时间尺度上自发转变为平行构象的过程，且在此过程中 DNA 双链并未被破坏，也未经过开放结中间体。REUS 自由能分布证实反平行状态是全局最低点，同时也识别出平行构象对应一个明确的局部最低点，这表明尽管其在溶液中的估计占比低于 1%，但在热力学上仍是亚稳态。低平衡占有率、微秒级的构象互变动力学，以及反平行结与平行结之间出人意料的高度结构相似性，共同为其迄今未被实验直接探测到提供了合理解释。我们进一步发现，自由能景观仅受到分支点序列和盐浓度的微弱影响。这些结果在平行 HJ 缺乏实验直接证据与其在溶液中具有结构可行性之间建立了协调，并为这一历史性争论提供了新的视角。

Holliday 结（HJ）是同源重组的关键中间体，也是 DNA 纳米技术中的基本构建模块。尽管经典的反向平行 stacked-X 构象已通过 X 射线晶体学得到广泛表征，但平行 HJ 构象是否存在于水溶液中仍未得到解决。在此，我们利用大规模全原子分子动力学（MD）模拟和复制交换伞形采样（REUS）自由能计算来解决这一问题。从经典反向平行 HJ 出发，标准 MD 模拟偶尔揭示出在微秒时间尺度上自发转变为平行构象，且在此过程中 DNA 双螺旋并未被破坏，也未经过开放结中间体。REUS 自由能分布证实反向平行状态是全局最低点，但同时也识别出平行构象是一个定义明确的局部最低点，表明尽管其在溶液中的估计占比低于 1%，它在热力学上仍是亚稳态。低平衡占据率、微秒级构象互变动力学，以及反向平行结与平行结之间出人意料地高度相似的结构特征，共同为缺乏直接实验检测提供了合理解释。我们进一步发现，自由能景观仅受到分支点序列和盐浓度的微弱影响。这些结果将平行 HJ 缺乏实验依据的表面现象与其在溶液中的结构可行性统一起来，并为这一长期争论提供了新的视角。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.10.737670v1?rss=1

🏷️ Holliday结 DNA构象 分子动力学模拟 自由能计算 同源重组