DNA是一種冗長(zhǎng)的分子 - 比它所在的細(xì)胞長(zhǎng)約1,000倍 - 所以它不能隨意地堵塞。相反，它必須整齊地組織，因此參與關(guān)鍵過(guò)程的蛋白質(zhì)可以訪問(wèn)其核苷酸堿基中包含的信息。可以想象雙螺旋就像一對(duì)扭結(jié)在一起的鞋帶，一次又一次地盤繞在一起，使分子更加緊湊。

然而，當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，這種超螺旋性質(zhì)使得參與DNA復(fù)制的蛋白質(zhì)難以接近鏈，分離它們并復(fù)制它們，因此一個(gè)DNA分子可以變成兩個(gè)。

復(fù)制開(kāi)始于染色體的特定區(qū)域，其中特殊的蛋白質(zhì)將兩條鏈分開(kāi)，像兩條鞋帶一樣拉開(kāi)雙螺旋。然而，這種局部分離實(shí)際上進(jìn)一步纏結(jié)了分子的其余部分，并且在沒(méi)有干預(yù)的情況下產(chǎn)生了緊張的累積，阻礙了復(fù)制。進(jìn)入被稱為拓?fù)洚悩?gòu)酶的酶，當(dāng)它們被剝離時(shí)，它們?cè)谑靶羞M(jìn)，剪斷它們，解開(kāi)它們，然后重新加入它們以減輕由超螺旋引起的張力。

通常認(rèn)為這些拓?fù)洚悩?gòu)酶足以允許復(fù)制進(jìn)行。然而，來(lái)自麻省理工學(xué)院和杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一組研究人員表示，酶可能需要額外蛋白質(zhì)的指導(dǎo)，這些蛋白質(zhì)識(shí)別過(guò)度扭曲DNA的形狀特征。

“很長(zhǎng)一段時(shí)間我們都知道拓?fù)洚悩?gòu)酶是復(fù)制所必需的，但是它們自身是否足夠已經(jīng)不為人知了，”麻省理工學(xué)院生物學(xué)教授，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員，高級(jí)作者M(jìn)ichael Laub說(shuō)。研究。“這是第一篇在細(xì)菌或真核生物中鑒定蛋白質(zhì)的論文，它需要在復(fù)制叉之前定位拓?fù)洚悩?gòu)酶，并幫助他們做那些他們?cè)谀抢镒龅氖虑椤?rdquo;

博士后Monica Guo '07和前研究生Diane Haakonsen博士。'16是該研究的共同第一作者，該研究于9月13日在Cell雜志上發(fā)表。

必要但不充分

盡管拓?fù)洚悩?gòu)酶對(duì)DNA復(fù)制至關(guān)重要，但現(xiàn)在已經(jīng)很清楚，我們對(duì)調(diào)節(jié)其活性的機(jī)制知之甚少，包括它們?cè)诤螘r(shí)何地采取行動(dòng)以緩解超螺旋。

這些酶分為兩類，I型和II型，取決于它們切割的DNA鏈數(shù)。研究人員專注于在常見(jiàn)的淡水細(xì)菌Caulobacter crescentus中發(fā)現(xiàn)的II型拓?fù)洚悩?gòu)酶。細(xì)菌中的II型拓?fù)洚悩?gòu)酶是特別令人感興趣的，因?yàn)樵S多抗生素靶向它們以防止DNA復(fù)制，治療多種微生物感染，包括結(jié)核病。沒(méi)有拓?fù)洚悩?gòu)酶，細(xì)菌就無(wú)法生長(zhǎng)。由于這些細(xì)菌酶是獨(dú)特的，針對(duì)它們的毒藥不會(huì)損害人類拓?fù)洚悩?gòu)酶。

長(zhǎng)期以來(lái)，II型拓?fù)洚悩?gòu)酶通常被認(rèn)為足以管理復(fù)制過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)度扭曲的超螺旋。雖然在大腸桿菌和其他高等生物中工作的研究人員已經(jīng)確定了可以激活或抑制這些酶的其他蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)都不需要復(fù)制。

這些發(fā)現(xiàn)暗示在其他生物體中可能發(fā)生類似的相互作用。為了了解特異性地壓縮Caulobacter DNA調(diào)節(jié)拓?fù)洚悩?gòu)酶活性所涉及的蛋白質(zhì)因子，研究人員篩選了它們的細(xì)菌，以尋找與超螺旋DNA緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)。從那里開(kāi)始，他們用一種蛋白質(zhì)GapR進(jìn)行研磨，他們發(fā)現(xiàn)這種蛋白質(zhì)對(duì)于DNA復(fù)制至關(guān)重要。在缺乏GapR的細(xì)菌中，DNA變得過(guò)度扭曲，復(fù)制減慢，細(xì)菌最終死亡。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)GapR識(shí)別出過(guò)度扭曲DNA的結(jié)構(gòu)，而不是特定的核苷酸序列。

“絕大多數(shù)DNA結(jié)合蛋白通過(guò)識(shí)別一組特定的堿基定位于基因組的特定位置，”Laub說(shuō)。“但是GapR基本上不關(guān)注實(shí)際的基礎(chǔ)序列 - 只是過(guò)度扭曲的DNA的形狀，它在復(fù)制叉和轉(zhuǎn)錄機(jī)制面前獨(dú)一無(wú)二。”

杜克公司的瑪麗亞舒馬赫解決了與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)GapR識(shí)別DNA的骨架(而不是堿基)，形成一個(gè)環(huán)繞過(guò)度扭曲的DNA的緊密夾鉗。然而，當(dāng)DNA以其標(biāo)準(zhǔn)形式松弛時(shí)，它不再適合夾具內(nèi)部。這可能意味著GapR僅在需要拓?fù)洚悩?gòu)酶的位置上位于DNA上。

令人興奮的里程碑

雖然GapR似乎是DNA復(fù)制所必需的，但目前尚不清楚這種蛋白質(zhì)如何促進(jìn)拓?fù)洚悩?gòu)酶功能以緩解超螺旋。

“在沒(méi)有任何其他蛋白質(zhì)的情況下，GapR能夠幫助II型拓?fù)洚悩?gòu)酶更快地去除陽(yáng)性超螺旋，但我們?nèi)匀徊恢廊绾危?rdquo;郭說(shuō)。“一個(gè)想法是GapR與拓?fù)洚悩?gòu)酶相互作用，識(shí)別過(guò)度扭曲的DNA并招募拓?fù)洚悩?gòu)酶。另一種可能性是GapR基本上抓住DNA并限制正超螺旋的運(yùn)動(dòng)，因此拓?fù)洚悩?gòu)酶可以更快地靶向和消除它們。”

John Innes中心的生物化學(xué)教授Anthony Maxwell沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他說(shuō)DNA超螺旋的積累是細(xì)菌復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵問(wèn)題。

“鑒定GapR及其在控制體內(nèi)超螺旋中的潛在作用，是了解細(xì)菌DNA拓?fù)淇刂频囊粋€(gè)令人興奮的里程碑，”他說(shuō)。“將需要進(jìn)一步的工作來(lái)展示這些蛋白質(zhì)如何合作以維持細(xì)菌基因組的完整性。”

據(jù)郭說(shuō)，這項(xiàng)研究提供了一個(gè)基本過(guò)程-DNA復(fù)制的洞察力 - 以及拓?fù)洚悩?gòu)酶的調(diào)控方式，可以擴(kuò)展到真核生物。

“這是首次證明拓?fù)洚悩?gòu)酶激活劑是DNA復(fù)制所必需的，”她說(shuō)。“盡管高等生物中沒(méi)有GapR同源物，但可能存在識(shí)別DNA形狀并輔助或定位拓?fù)洚悩?gòu)酶的類似蛋白質(zhì)。”

她說(shuō)，這可能開(kāi)辟一個(gè)新的藥物研究領(lǐng)域，目標(biāo)是像GapR這樣的激活劑，以提高現(xiàn)有拓?fù)洚悩?gòu)酶毒物治療呼吸道和泌尿道感染等疾病的效果。畢竟，許多拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑由于抗生素抗性而變得不那么有效。但只有時(shí)間會(huì)證明;為了解開(kāi)DNA復(fù)制的復(fù)雜過(guò)程以及它的許多曲折，還有很多東西需要學(xué)習(xí)。