Science为基本生物学机制提供了新的见解：解开DNA缠结的第一步

贝勒医学院、斯特拉斯堡大学、巴黎城市大学和合作机构的研究人员揭示了DNA回旋酶如何解决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价值。gyrase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gyrase在分子水平上是如何起作用的，可能会改善临床治疗。

　　

在你的脑海中想象一个传统的“固定电话”，用一根缠绕的电线把听筒和电话连接起来。盘绕的电话线和在人体每个细胞中储存遗传物质的DNA双螺旋结构有一个共同点;它们都缠绕在一起，缠绕在自己周围，并且以难以解开的方式纠缠在一起。以DNA为例，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陷入停顿。幸运的是，细胞有一个巧妙的解决方案来仔细调节DNA的超缠绕。

在《科学》杂志上发表的这项研究中，贝勒医学院、斯特拉斯堡大学、巴黎城市大学和合作机构的研究人员揭示了DNA回旋酶如何解决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价值。Gyrases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Gyrases在分子水平上是如何起作用的，可能会改善临床治疗。

一些DNA超盘绕是必不可少的，使DNA能够接近，使细胞能够读取和复制遗传信息，但过少或过多的超盘绕都是有害的。例如，复制和读取DNA的行为会在读取和复制遗传密码的酶之前将其缠绕，从而中断这一过程。人们早就知道DNA回转酶在解开过度缠绕中起着作用，但细节尚不清楚。

DNA微环和先进的成像技术揭示了解开DNA纠缠的第一步

研究作者Lynn Zechiedrich博士说：““我们通常把DNA描绘成直双螺旋结构，但在细胞内，DNA存在于超螺旋环中。了解超级线圈和参与DNA功能的酶之间的分子相互作用在技术上具有挑战性，所以我们通常使用线性DNA分子而不是卷曲DNA来研究相互作用，我们实验室的一个目标是利用一种DNA结构来研究这些相互作用，这种DNA结构更接近于模拟活细胞中存在的实际超螺旋和环状DNA形式。”

经过多年的努力，Zechiedrich实验室已经制造出了超螺旋DNA的小环。从本质上讲，他们采用了熟悉的直线DNA双螺旋结构，并将其向任意方向扭曲一次、两次、三次或更多次，并将两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三维结构，揭示了这些环形成的各种形状，他们假设诸如回转酶之类的酶会识别这些形状。

在目前的研究中，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，利用电子低温显微镜(一种产生大分子高分辨率3d视图的成像技术)和其他技术的最新进展，研究DNA回旋酶与DNA微环的相互作用。

“我的实验室一直对分子纳米机器如何在细胞中运作很感兴趣。我们一直在研究DNA回转酶，这是一种调节DNA超卷曲的非常大的酶，在其他功能中，超卷曲是细胞将大约2米(6.6英尺)长的线性DNA限制在细胞的微观细胞核中的方式。”副教授Valérie Lamour博士说。

当DNA在细胞核内缠绕时，它会以不同的形式扭曲和折叠。想象一下，把开头提到的电话线扭上几下。它会缠绕在DNA链上，形成一个环，收紧结构。

“我们发现，正如我们假设的那样，gyrase被超螺旋微环吸引，并将自己置于这个超螺旋环的内部，”合著者Jonathan Fogg博士说。

“这是促使酶解决DNA缠结机制的第一步。”

Zechiedrich说:“DNA螺旋酶现在被一个紧密的超螺旋环包围着，它会切断环中的一个DNA螺旋，让另一个DNA螺旋穿过另一个DNA螺旋的切口，并重新密封断裂处，这就放松了过度缠绕，减轻了缠结，调节DNA超螺旋来控制DNA活性。想象一下看牛仔竞技表演。就像用套索拴住牛一样，超缠绕的环状DNA在第一步捕获了回转酶。然后Gyrase切断DNA套索的一个双螺旋，让另一个双螺旋通过断裂获得自由。”

共同通讯作者Marc Nadal博士使用磁镊子(一种生物物理技术，可以测量单个DNA分子长度的变形和波动)证实了对缠绕在gyrase周围环中的DNA路径的观察。观察单个分子所提供的信息，在传统的试管“整体”实验中观察数千个分子时，往往是模糊不清的。

有趣的是，旋切酶活性的“DNA链倒置模型”是1979年由Patrick O. Brown和已故的Nicholas R. Cozzarelli也发表在《科学》杂志上的一篇论文中，当时研究人员还没有接触到超螺旋微环或酶的三维分子结构。“45年后，我们终于提供了实验证据来支持他们的假设，这对我来说尤其有意义，因为尼克是我的博士后导师，”Zechiedrich说。

Lamour说:“这项工作为研究这类保守酶的机制开辟了无数的视角，这具有很大的临床价值。”

“这项工作支持了关于DNA活动如何被调节的新想法。我们认为DNA不是一种被动的受酶作用的生物分子，而是一种主动的生物分子，它利用超卷曲、环状和三维形状来指导酶(如回转酶)在各种情况下对特定DNA序列的可及性，这可能会影响细胞对抗生素或其他治疗的反应”。