细菌 SMC 复合物 MukBEF 捕获 DNA 机制及病毒 DNA 模拟物的抑制作用：解锁基因组奥秘与病毒攻防新视角

《Cell》：Mechanism of DNA capture by the MukBEF SMC complex and its inhibition by a viral DNA mimic

在基因组研究中，SMC 复合物的 DNA 加载机制尚不明确。为解决该问题，研究人员开展了对细菌 SMC 复合物 MukBEF 的研究。结果发现 ATP 结合打开 MukBEF 颈部 gate，噬菌体 T7 的 gp5.9 蛋白可抑制其 DNA 捕获。这为理解基因组维护及病毒干扰机制提供了依据。

　　在微观的生命世界里，基因组的组织和稳定如同精密的机器运转，而染色体结构维持复合物（Structural Maintenance of Chromosome，SMC）就是这台机器中至关重要的 “零件”。SMC 复合物广泛存在于细菌、古菌和真核生物中，承担着诸如染色体压实、姐妹染色单体凝聚、DNA 重组等重要任务。它们就像基因组的 “守护者”，通过捕获 DNA 并挤出 DNA 环来维持基因组的稳定和正常功能。然而，这个过程的具体机制却一直像被迷雾笼罩，充满了未知。比如，DNA 究竟是如何进入 SMC 复合物的？不同的 SMC 复合物在这个过程中是否有相似之处？而且，病毒作为生命世界里的 “捣乱分子”，它们会不会干扰 SMC 复合物的正常工作呢？这些问题就像一把把钥匙，吸引着科学家们去开启基因组奥秘的大门，也促使他们开展相关研究来一探究竟。

来自英国 MRC 分子生物学实验室、牛津大学、布里斯托大学等机构的研究人员勇敢地踏上了探索之旅。他们将研究聚焦于细菌的 SMC 复合物 MukBEF，经过一系列深入研究，取得了令人瞩目的成果。相关研究论文发表在顶尖学术期刊《Cell》上，为我们揭示了许多关于基因组维护和病毒干扰机制的重要信息。

研究人员在这项研究中主要运用了冷冻电镜（cryo - EM）、蛋白质纯化、DNA 捕获实验等关键技术方法。冷冻电镜技术就像一台神奇的 “微观相机”，让研究人员能够直接观察到 MukBEF 在不同状态下的结构变化；蛋白质纯化技术帮助他们获取高纯度的目标蛋白，为后续实验奠定基础；DNA 捕获实验则用于探究 MukBEF 与 DNA 之间的相互作用。

1. 重建 MukBEF 加载反应

研究人员为了深入了解 MukBEF 加载到染色体 DNA 上的过程，采用了一种巧妙的方法。他们从纯化的成分中重建 DNA 加载反应，利用半胱氨酸诱变和双马来酰亚胺乙烷（BMOE）介导的交联技术，将 MukBEF 加载到质粒 DNA 上。通过这种方法，他们发现重建的加载反应严格依赖 ATP 水解，这与 MukBEF 在体内加载的基本特征一致。这一结果就像找到了一把开启 MukBEF 加载机制大门的钥匙，为后续研究指明了方向。

2. DNA 松弛促进 MukBEF 加载

MukBEF 与拓扑异构酶 IV（Topo IV）存在直接相互作用，研究人员推测 Topo IV 可能会通过改变 DNA 的局部几何形状来影响 MukBEF 的加载。于是，他们进行了一系列实验，在不同拓扑异构酶存在的情况下，观察 MukBEF 的加载情况。结果发现，Topo IV 和大肠杆菌 Topo I 能够促进 MukBEF 的加载，而 DNA 促旋酶则不能。进一步研究发现，在没有拓扑异构酶的情况下，松弛的 DNA 底物也能显著提高 MukBEF 的加载效率。这表明 MukBEF 更倾向于在 DNA 超螺旋程度较低或扭转应变较小的环境中加载，揭示了 DNA 拓扑结构与 MukBEF 加载之间的重要关系。

3. ATP 结合触发颈部 gate 打开

借助冷冻电镜技术，研究人员对 MukBEF 的 DNA 结合过程进行了详细观察。他们发现，ATP 结合到 MukBEF 的头部后，会引发头部的结合，进而导致颈部 gate 打开。这一过程中，MukF 的 MD 从 MukB 颈部脱离，MukE 则结合到头部的顶部，稳定了颈部 gate 的开放状态。这就像为 DNA 进入 MukBEF 打开了一扇 “大门”，而且只有当头部没有 DNA 时，这扇 “大门” 才会打开，确保了 MukBEF 在准备好加载 DNA 时才开启通道。

4. DNA 在开放颈部 gate 捕获

在观察过程中，研究人员还发现了一种 DNA 结合结构，即 DNA 直接在开放的颈部 gate 被捕获。此时，蛋白质的构象与开放 gate 状态几乎相同。进一步研究发现，MukBEF 二聚体的两个单体都能结合一段约 52bp 的连续 DNA 片段，DNA 结合表面主要由 MukE 和 MukF 提供。但此时 DNA 并没有被包裹在复合物内部，而是位于其外围，这意味着 DNA 可能需要通过颈部 gate 进入复合物内部才能完成加载过程。

5. 噬菌体 MukBEF 抑制剂的发现

一个偶然的发现让研究人员注意到噬菌体 T7 编码的 gp5.9 蛋白。他们发现，表达 gp5.9 蛋白会对大肠杆菌的生长产生严重影响，导致染色体分离缺陷，这与 MukBEF 失活的细胞表型一致。进一步研究表明，gp5.9 蛋白能够直接与 MukBEF 结合，主要通过 MukE 亚基。而且，gp5.9 蛋白与大肠杆菌 MukEF 能形成稳定的复合物，但与嗜虫沙雷氏菌（P. thracensis）的 MukEF 结合较弱，这显示了 gp5.9 蛋白抑制作用的特异性。

6. gp5.9 靶向 MukE DNA 结合裂隙并抑制 DNA 加载

为了深入了解 gp5.9 蛋白抑制 MukBEF 的机制，研究人员解析了 gp5.9 与大肠杆菌 MukEF 结合的结构。结果发现，gp5.9 蛋白沿着 MukE 的 DNA 结合裂隙结合，与 DNA 捕获位点完全重叠，从而阻止了天然 DNA 底物的有效结合。实验表明，gp5.9 蛋白能够强烈抑制大肠杆菌 MukBEF 的加载反应，而对嗜虫沙雷氏菌的 MukBEF 加载影响较小，再次证实了其抑制作用的特异性。这一发现揭示了病毒抑制 MukBEF 的分子机制，为理解病毒与宿主之间的相互作用提供了新的视角。

在研究结论和讨论部分，研究人员总结了他们的重要发现。首先，揭示了 MukBEF 颈部 gate 打开的机制，这一机制在其他 SMC 复合物中可能具有一定的普遍性，为理解 SMC 复合物的共性提供了依据。其次，提出 DNA 捕获状态可能是 MukBEF 加载的第一步，这一观点为解释 DNA 如何进入 SMC 复合物提供了新的思路。再者，基于实验结果提出了 DNA 通过颈部 gate 进入 MukBEF 的 “stand off and rotate” 模型，该模型能够很好地解释 DNA 加载如何依赖 ATP 水解，以及为什么加载在松弛 DNA 上更有效等问题。此外，研究还探讨了 MukBEF 从 DNA 加载到 DNA 环挤出的转换机制，以及病原体抑制 SMC 复合物的策略。这些研究成果不仅为我们理解基因组维护的基本过程提供了重要信息，也为研究病毒与宿主之间的相互作用开辟了新的方向，有助于开发新的抗病毒策略，具有重要的理论和实践意义。