生物学家揭示旋转酶如何解决DNA缠结
在您的脑海中想象一部传统的“固定电话”电话，其带有将听筒连接到电话的盘绕线。盘绕的电话线和体内每个细胞中储存遗传物质的DNA双螺旋有一个共同点：它们都超级螺旋，或者说盘绕在自己周围，并且以难以解开的方式纠缠在一起。就DNA而言，如果不处理这种过度缠绕，复制DNA和细胞分裂等基本过程就会停止。幸运的是，细胞有一个巧妙的解决方案来仔细调节DNA超螺旋。
在《科学》杂志上发表的一项研究中，贝勒医学院、斯特拉斯堡大学、巴黎西岱大学和合作机构的研究人员揭示了DNA旋转酶如何解决DNA缠结。这些发现不仅为这一基本生物学机制提供了新的见解，而且具有潜在的实际应用。
旋转酶是治疗细菌感染的生物医学靶点，类似的人类版本的酶是许多抗癌药物的靶点。更好地了解回旋酶在分子水平上的工作原理可能会改善临床治疗。
一些DNA超螺旋对于使DNA易于细胞读取和复制遗传信息至关重要，但超螺旋太少或太多都是有害的。例如，复制和读取DNA的行为会先于读取和复制遗传密码的酶将其缠绕，从而中断该过程。人们早就知道DNA旋转酶在解开过度缠绕方面发挥着作用，但细节尚不清楚。
DNA微环和先进成像技术揭示了解开DNA的第一步
“我们通常将DNA想象为直双螺旋结构，但在细胞内部，DNA存在于超螺旋中。理解超螺旋和参与DNA功能的酶之间的分子相互作用在技术上具有挑战性，因此我们通常使用线性DNA分子来代替研究作者LynnZechiedrich博士说，他是贝勒医学院分子病毒学和微生物学系的Kyle和JosephineMorrow主席、Verna和MarrsMcLean生物化学和分子药理学系教授。
“我们实验室的一个目标是使用更接近地模仿活细胞中存在的实际超螺旋和环状DNA形式的DNA结构来研究这些相互作用。”
经过多年的努力，Zechedrich实验室创造出了超螺旋DNA的小环。本质上，他们采用了熟悉的直线DNA双螺旋，并将其向任一方向扭转一次、两次、三次或更多次，并将末端连接在一起形成一个环。他们之前的研究观察了由此产生的超螺旋小环的3D结构，结果表明这些环形成了各种形状，他们假设旋转酶等酶能够识别这些形状。
在当前的研究中，他们的假设被证明是正确的。研究小组结合他们的专业知识，利用电子冷冻显微镜(一种产生大分子高分辨率3D视图的成像技术)和其他技术的最新技术进展，研究DNA旋转酶与DNA小环的相互作用。
“我的实验室长期以来一直对了解分子纳米机器如何在细胞中运作感兴趣。我们一直在研究DNA旋转酶，这是一种调节DNA超螺旋的大型酶，”共同通讯作者、基因研究所副教授ValérieLamour博士说。斯特拉斯堡大学分子生物学和细胞生物学。
“除其他功能外，超螺旋是细胞将约2米(6.6英尺)的线性DNA限制在细胞微观核中的方式。”
当DNA超螺旋在细胞核内盘旋时，它会以不同的形式扭曲和折叠。想象一下，将开头提到的那根电话线缠绕几次。它会通过交叉DNA链形成一个环，收紧结构。
“我们发现，正如我们假设的那样，旋转酶被超螺旋小环吸引，并将其自身置于超螺旋环的内部，”合著者、分子病毒学和微生物学高级科学家乔纳森·福格博士说。Zechiedrich实验室的生物化学和分子药理学。
Lamour说：“这是促使酶解决DNA缠结的机制的第一步。”
“DNA旋转酶现在被紧密的超螺旋环包围，它将切割环中的一个DNA螺旋，使另一个DNA螺旋穿过另一个DNA螺旋的切口，并重新密封断裂处，从而放松过度缠绕并缓解缠结，从而调节DNA超螺旋控制DNA活性，”Zechiedrich说。
“想象一下观看牛仔竞技表演。就像用套索套住牛一样，超螺旋DNA在第一步中捕获了旋转酶。然后旋转酶切断了DNA套索的一个双螺旋，并将另一个螺旋穿过断裂处以释放出来。”
共同通讯作者、巴黎高等师范学院教授MarcNadal博士证实，使用磁力镊子观察到包裹在旋转酶周围的DNA的路径，磁力镊子是一种生物物理技术，可以测量长度的变形和波动。单个DNA分子。观察单个分子提供的信息在传统的所谓“整体”实验中在试管中观察数千个分子时通常会被掩盖。
有趣的是，旋转酶活性的“DNA链反转模型”是由Drs于1979年提出的。帕特里克·O·布朗(PatrickO.Brown)和已故的尼古拉斯·R·科扎雷利(NicholasR.Cozzarelli)也在《科学》杂志上发表了一篇论文，早在研究人员获得超螺旋微环或酶的3D分子结构之前。
“对我来说特别有意义的是，45年后，我们终于提供了支持他们假设的实验证据，因为尼克是我的博士后导师，”泽基德里奇说。
拉莫尔说：“这项工作为研究这类保守酶的机制开辟了无数的视角，具有巨大的临床价值。”
“这项工作支持了关于如何调节DNA活性的新想法。我们认为DNA不是一种受酶作用的被动生物分子，而是一种主动生物分子，它使用超螺旋、环状和3D形状来引导旋转酶等酶接触特定DNA各种情况下的序列，这可能会影响细胞对抗生素或其他治疗的反应，”福格说。