摘 要

随着DNA双螺旋结构的发现，生物学的研究层次被推进到分子领域。但是作为一种高分子，DNA的研究领域主要集中于其生物化学性质，而对这种高分子展现出来的力学性质却知之甚少。相关文献表明，某些蛋白与DNA链的结合能够降低DNA链的刚度，例如HMGB2蛋白能够使其持续长度降至10nm。并会导致后续DNA链的快速断裂破坏。

我们通过生物信息学的方法研究发现HMGB2蛋白在肝癌细胞内表达异常且高与正常细胞。通过对HMGB2蛋白的特征曲线分析，我们发现HMGB2的表达具有良好预后作用以及诊断价值。对HMGB2蛋白基因功能的进一步研究发现，它主要与DNA链的复制，癌细胞的增殖等生命活动相关。这意味着蛋白质与DNA链的结合具有极为重要的生物学意义，因此我们接下来通过分子对接技术手段验证了HMGB2蛋白与DNA链的结合构象，证明了二者之间具有良好的亲和性。

尽管我们已经清楚地了解了HMGB2蛋白与DNA链的结合能够使DNA链局部柔化，并且蛋白质与DNA的结合也伴随着DNA链的大规模重组装配甚至断裂，但是目前对于DNA链具体的断裂机制仍旧是不清楚的。因此我们通过有限元方法对DNA双链进行建模，并模拟在局部柔化状态下的拉伸断裂状态，并且将最终结果与理论模型进行对比，以验证我们的有限元结果的合理性。

关键词：柔化DNA、HMGB2基因表达蛋白、生物信息学、分子对接技术、扩展有限元

Abstract

With the discovery of the DNA double helix structure, the level of biological research has been advanced to the molecular field. But as a polymer, the research field of DNA mainly focuses on its biochemical properties, and few people care about the mechanical properties exhibited by this polymer. The recent articles show the combination of certain proteins and DNA chains can reduce the rigidity of DNA chains. For example, HMGB2 proteins can reduce that from 50nm to 10nm. And this phenomenon will lead to rapid breakage of DNA strands.

We have found that the HMGB2 protein express more higher in hepatoma cells than normal cells. By analyzing the characteristic curve of HMGB2, we found that the expression of HMGB2 has a good prognostic effect and diagnostic value. Further research on the function of the HMGB2 protein gene found that it is mainly related to the replication of DNA chains, the proliferation of cancer cells and other life activities. It means the combination of protein and DNA chain has extremely important biological significance. Therefore, we verified the binding conformation of HMGB2 protein and DNA chain by molecular docking to prove the good affinity of them.

Although we have clearly understood that the combination of the HMGB2 protein and the DNA chains can locally soften the DNA chains. And this phenomenon is also accompanied by large-scale recombination and even breakage of DNA chains. But the specific mechanism of DNA chains is still unclear. Therefore, we modeled the DNA double-stand by finite element methods and simulated its state of tension under local softening state. Then, we compared the simulation result with the theoretical model to verify the rationality of our model.

Key word: Softening DNA; High mobility histone2; Bioinformatics; Molecular docking; extend finite element method

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 DNA分子简介及国内外研究现状 1

1.1.1 DNA分子简介 1

1.1.2 DNA柔性机制以及断裂现象的国内外研究现状 1

1.2 HMGB2基因表达蛋白研究现状 2

1.3 本文的研究内容和研究目的 3

第二章 DNA链柔化基因的数据挖掘及对接分析 4

2.1 生物信息学方法 4

2.1.1 HMGB2的表达情况 4

2.1.2 HMGB2对肝癌的预后意义与诊断价值 5

2.1.3 HMGB2及其相关基因的基因功能与信号通路分析 5

2.2分析与讨论 6

2.2.1 HMGB2在肝癌细胞中的表达情况 6

2.2.2 HMGB2对于肝癌的预后参考以及诊断价值 8

2.2.3 HMGB2及其相关基因参与的基因功能与信号通路 8

2.3 基于几何匹配和能量匹配的分子对接技术 12

2.3.1分子对接技术的一般过程 12

2.3.2 对接过程中能量最优原则的基本原理 13

2.4 结果与分析 15

2.5 结论 18

第三章 柔化DNA链断裂的力学仿真及理论分析 20

3.1 有限单元法及扩展有限元的基本原理 20

3.1.1有限元法的一般原理 20

3.1.2 扩展有限元的基本原理 21

3.2 DNA模型的建立 24

3.3有限元结果与讨论 25

3.4 基于自由连接链模型的DNA断裂理论分析 28

3.5结论 30

第四章 结论与展望 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1 DNA分子简介及国内外研究现状

1.1.1 DNA分子简介

1953年，Waston和Crick发现了DNA的双螺旋结构，这个伟大的发现开启了生物学研究领域的新篇章，人类生命遗传密码从此得到破译。此项研究为后世分子遗传学、细胞生物学等对人类发展影响深远的学课奠定了基础。1952年，Chargaff测定了DNA中四种碱基的含量，这项研究又为后世碱基互补配对原则的发现奠定了重要基础。DNA的主要功能是作为人类遗传信息的重要载体，T、C、G、A四种碱基通过碱基互补配对原则保证遗传信息稳定地传递。过去的几十年内，科学家们对DNA的研究主要集中在它作为一种生物分子所发挥的生物化学作用，却忽略了其作为一种高分子材料的力学性质。

目前已知的3种DNA结构中，B-DNA的结构与人类DNA最为相似。如图1.1所示，为B-DNA的结构图。其中，B-DNA之间的距离为2nm，每个螺旋周期包含10.5个碱基对，每个周期的纵向距离为3.6nm。在DNA上分别存在主沟与次沟，这样的结构主要与DNA-蛋白质的结合模式相关^[1]。