《Nature》结构动力学新解：复制解旋酶如何解开 DNA 双链

《Nature》：Structural dynamics of DNA unwinding by a replicative helicase

　　

在微观的生命世界里，DNA 复制是生命延续的关键一环，而六聚体解旋酶（hexameric helicases）则是这一过程中不可或缺的 “分子机器”。它就像一把精巧的钥匙，能解开 DNA 双链，为复制工作开启大门。然而，尽管科学家们对其进行了数十年的深入研究，六聚体解旋酶仍有许多秘密未被揭开。例如，DNA 链分离的具体位置和机制是什么？解旋过程是如何推进的？核苷酸水解与 DNA 移动之间又有着怎样的动态关系？这些问题如同层层迷雾，笼罩着这个重要的研究领域，也促使科学家们不断探索。

为了拨开这些迷雾，来自阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）等机构的研究人员展开了一项深入研究。他们将目光聚焦在猿猴病毒 40 大 T 抗原（simian virus 40 large tumour antigen，LTag）解旋酶上，这是一种典型的 AAA?解旋酶，在病毒复制过程中起着关键作用，与真核生物中的 CDC45–MCM–GINS（CMG）解旋酶有着相似的功能。通过一系列实验，研究人员取得了重要成果，相关论文发表在《Nature》杂志上。

研究人员在此次研究中运用了多种先进的技术方法。其中，冷冻电镜（cryoelectron microscopy，cryo-EM）技术是关键。利用该技术，研究人员能够在接近生理条件下观察 LTag 解旋酶与 DNA 的相互作用。此外，连续异质性分析（continuous heterogeneity analysis）、基于深度学习的图谱后处理（deep-learning-based map postprocessing）以及分子动力学柔性拟合（molecular dynamics flexible fitting）等技术也被用于解析 LTag 在催化条件下的构象变化，从多个角度揭示解旋酶的工作机制。

研究结果如下：

1. 预水解解旋酶在叉状连接点的状态：研究人员通过重构 LTag 与叉状 DNA 和 ATP 的复合物（在无 Mg2?条件下，限制核苷酸水解），获得了 3.1 ? 分辨率的冷冻电镜结构。结果显示，解旋酶核心呈两层六聚体环结构，DNA 叉状连接点位于中央通道，追踪链由 C 层的六个 DNA 结合域固定，而未配对的被动链无序且未建模。同时，DNA 结合诱导了 C 层的不对称性，形成了 DNA 结合域的阶梯状排列。此外，研究还发现 ATP 占据了所有亚基，且不同亚基界面呈现出与 DNA 结合环位置相关的不同模式。

2. 核苷酸与界面的协调作用：通过对比 LTag 与 ATP、ADP 结合的叉状 DNA 结构，研究人员发现 ATP 水解可能发生在阶梯顶部附近，ADP 在底部释放。ATP 结合时，特定的界面模式稳定存在；而 ADP 结合时，双链 DNA 密度消失，部分界面变弱。这些结果表明，ATP 水解在解旋酶的工作过程中起着关键的调控作用。

3. 解旋酶作用过程的重构：在有 Mg2?存在的条件下，研究人员重构 LTag 与叉状底物和 ATP 的复合物，并进行冷冻电镜分析。通过三维变异性分析（3DVA）和分子动力学柔性拟合，研究人员观察到 ATP 水解引发 C 层的协调旋转运动，进而驱动 DNA 通过解旋酶通道的线性移动。在这个过程中，界面发生变化，如 BC 界面在 ATP 水解时显著重塑，转变为 ADP 样状态，这表明 ATP 水解与 DNA 运动之间存在耦合关系。

4. 转位循环重置的动力学：研究人员还发现，第二个主成分显示了环阶梯的重新配置，为后续的 ATP 水解和转位循环做准备。在这个过程中，亚基 A 从 DNA 上释放，DNA 通过通道前进，亚基 F 的环从 DNA 上脱离并向上移动。这些有序的变化使得解旋酶能够持续进行解旋工作。

5. 叉解开的统一模型：综合预水解结构和动态分析结果，研究人员构建了完整水解循环中 DNA 叉状连接点的构象变化模型。在水解过程中，叉状连接点在解旋酶内移动，追踪链被拉动，亚基 F 及其环向上移动，导致叉状连接点旋转，促进碱基对在叉状连接点处的解链。

6. 在起始 DNA 上的复制叉建立：研究人员进一步探索了 LTag 在 SV40 起始位点的复制叉建立过程。通过对 LTag 与起始位点核心区域（包括早期回文序列（EP）和富含 AT 区域）结合的结构分析，发现 LTag 在不同阶段的 DNA 结合机制具有统一性。双 LTag 六聚体在起始位点的组装导致两端的局部解链，形成双向复制叉，为 DNA 复制的起始奠定基础。

研究结论与讨论部分指出，LTag 通过一种由 ATP 结合和水解调节的反式别构、熵驱动机制在单链 DNA 上进行转位。这种机制可能广泛适用于使用旋转循环的六聚体解旋酶，为理解其他类似解旋酶的工作原理提供了重要参考。同时，研究人员还提出了双向叉解开的模型，解释了 LTag 如何在复制起始位点驱动 DNA 解链和双向复制叉的建立。这一模型不仅适用于 SV40 系统，在真核生物系统中也可能具有相似的机制，因为真核生物中的 CMG 解旋酶在起始位点的行为与 LTag 有诸多相似之处。

总的来说，这项研究为复制叉的建立和进展提供了一个全面的模型，从病毒系统延伸到真核生物系统。它揭示了 ATP 依赖酶如何通过熵驱动的别构效应实现高效机械功的基本原理，为深入理解 DNA 复制过程提供了关键线索，对生命科学领域的相关研究具有重要的推动作用。