近期DNA-蛋白相互作用研究新进展

近期DNA-蛋白相互作用研究新进展

　　

解析DNA－蛋白复合体结构的新方法

生物通报道：人类基因组一半以上是由小片段mobile DNA(可动DNA)组成，mobile DNA在体内游动，将基因插入到靶细胞的染色体中。

去年Nature杂志一篇文章报道，布朗大学Arthur Landy实验室和霍华德修斯医学院Thomas Ellenberger实验室研究人员利用可以感染大肠杆菌的ambda病毒作为分析mobile DNA研究模型，解析了λ-integrase (λ-Int)的结构，发现这种蛋白“外科医生”，能够帮助mobile DNA切开染色体、插入基因、“缝合”染色体。

最近，Landy 实验室研究人员解析了一种DNA-蛋白复合体的结构。这种DNA-蛋白复合体如同“护士”，在剪接过程中辅助λ-Int。2006年11月17日《Molecular Cell》封面显示了复合体中DNA的三维图像。研究人员通过解析这些结构，弄清了这六种蛋白相互作用，在剪接过程中折叠DNA的机制。

文章第一作者、Landy实验室博士后孙邢岷（Xingmin Sun，音译）说，一旦弄清了这些蛋白和DNA的排列规则，就更容易研究它们的功能，进而可以观察它们在细胞中的真实活动。

孙邢岷表示解析这些DNA-蛋白复合体的结构需要一些创新，因为这是六个蛋白组成的复合体，对于X射线结晶学等标准检测方法来说体积太大了。于是他们采用了荧光共振能量转移技术（fluorescence resonance energy transfer ，FRET）。FRET常用于研究溶液中的小型蛋白复合体，这回孙邢岷利用FRET研究凝胶中的大蛋白复合体。他用荧光染料标记DNA，然后提纯蛋白，将它们置于凝胶中进行成像。当荧光在染料分子之间反射时，检测荧光的波长，并将检测数据输入由Dale Mierke（布朗大学医学教授）特异研制的软件程序。

“此次的最大突破是成功利用FRET分析大型DNA-蛋白复合体的结构，”孙说，“现在生物学家有了一种可以研究控制细胞分裂、基因表达、DNA复制等等复合体的新工具。”

拉伸DNA loop，可关闭特异蛋白

生物通报道：蛋白质结合DNA链，如同槲寄生（mistletoe）缠绕在柔韧的糖条上，这里下图的分子模型要展现的是一些蛋白与DNA双链分子上的特异位点结合后，在DNA上形成loop的机制。

生物学家发现，DNA loop的物理运动是基因表达调控等许多细胞生化过程的结果。换句话说，这些loop反映了一些酶或者蛋白的功能。最近，加州大学圣地亚哥分校物理学家发现，拉伸DNA分子会关闭某些引发DNA loop的蛋白的表达。研究结果刊登于12月《Biophysical Journal》杂志。

 “我们发现，向DNA分子施加一个简单的轻微的外力，会使某些与DNA相互作用的酶关闭，” 研究小组带头人、USDA物理学副教授Douglas Smith 说这种拉力会为细胞提供一种感觉日常压力的分子机制，这种压力可能是由细胞本身产生，如细胞周期过程中的形态改变，也可能是外界环境来源的。

Smith还强调，向分子施加的外力必须很微小，只有一皮牛顿（pico-Newton），或者苹果重力的一百万兆分之一。

DNA-蛋白相互作用时，DNA并非完全被动

生物通报道：我们体内细胞众多的基因中，只有那些表达的基因使我们成为现在这个样子。特定的蛋白通过结合DNA上的关键位点——包含遗传信息的核酸，调节基因表达。

这些蛋白是怎样识别特定结合位点的？蛋白结构和DNA结构的改变，有时是结合位点内的DNA纽结或急剧弯曲，使得DNA－蛋白紧密结合。

研究人员认为DNA在这种遗传相互作用中是被动的一方。但是由伊利诺斯州大学生物物理学副教授Anjum Ansari发现，DNA并不是所想象的完全被动的。

为了对蛋白－DNA结合时发生的结构变化进行实时检测，Ansari及其同事利用一种细菌来源的检测蛋白，和持续一百亿分之一秒的激光脉冲加热、搅乱蛋白－DNA复合物，观察结合蛋白的动力学改变情况。这是首次利用激光脉冲升温光源法（laser temperature-jump technique，生物通编者译）研究蛋白－DNA复合物动力学。

Ansari说：“止流（stopped-flow）技术可以捕获毫秒时间内出现的生物分子的动力学变化，此次研究的目的是将时长范围缩小到微秒级别以下。”这种技术与止流测量方法结合，可直接观测DNA与蛋白结合过程。

Ansari发现DNA的结合时间级别与先前报道的一个碱基对瞬时降解的时间级别相似。推测，DNA可以自行的弯曲或者打结，蛋白识别弯曲的DNA结构并与之紧密结合。

Ansari及其同事的结论稍微背离传统教条，传统观点认为是蛋白结合DNA，而Ansari等认为DNA“弯曲特性”（bendability）指导蛋白到特定的DNA位点。

Ansari说这个新发现有助于研究蛋白识别特异结合位点的机制，为研发蛋白结合DNA特异位点的药物和以基因为基础的治疗方法提供一臂之力。

Science：三合一新方法，可将DNA正确插入基因组中

生物通记者：P(acman)－一种将DNA插入果蝇基因组的新方法，一种真正意义上实现研究果蝇全基因组结构和功能的方法诞生了！此方法也可用于其它模式生物，如小鼠的研究中。研究结果刊登于近期Science杂志。

Baylor 医学院分子和人类遗传学教授Dr. Hugo Bellen说：“P(acman)克服了现在通用方法的关键障碍，能够在活体条件下研究大片段DNA。” Bellen也是霍华德休斯医学院研究员。这种新技术使研究人员能够在果蝇中研究大片段基因和基因综合体（gene complexes），这在以前是不可能实现的。

P/phiC31人工染色体（artificial chromosome），或称P(acman)，结合了三种最新技术：细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome ，BAC，能够使大片段DNA维持在细菌中）、重组技术（recombineering）、能将大片段DNA插入果蝇基因组特定位点的phiC31-介导的转基因技术（phiC31-mediated transgenesis）。

Bellen评价这是一项意义深远的新技术。P(acman)越过了阻碍研究的绊脚石，能够将克隆得到的大片段DNA用于基因组转化，并且保证DNA片段插入基因组特异位点。目前研究基因机构和功能的技术都存在这样那样的问题，比如研究人员培育缺少特定基因的果蝇时，如果想将这种特定基因重新放入基因组中，那么插入位点经常是没有规律的。

有时会产生过多的蛋白，有时又产生的非常少，还有些情况下，这些重新插回的基因会影响其它基因的表达。

“在做这些的时候如同拿苹果和桔子相比，” Bellen。其它技术限于小的DNA片段。“Koen（发育生物学BCM计划一名研究生）利用这三种技术开发新的转基因系统。”

细菌人工染色体（BAC），使科学家能够将大片段DNA维持在细菌中，但是只有一个或少数几个拷贝。然而，细菌在必要时会产生许多DNA拷贝。

因此，Koen添加了重组（recombineering）技术。利用重组技术能够很方便地克隆出大片段DNA，并且可以在基因中的任意位点造成特异突变。

第三种技术能够帮助研究人员在果蝇基因组中寻找有潜力的突变基因，消除苹果－桔子的问题。这第三种技术－phiC31－在小鼠和人类细胞中也可以发挥功能，提示这种新技术具有通用性。