Science：首次實時觀察到凝縮蛋白擠壓DNA形成環狀結構

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引人注目的是，活的細胞當準備分裂時，能夠將一堆雜亂的長達兩米的DNA包裝成整齊的微小染色體。然而，科學家們幾十年來一直對這個過程是如何發生的感到困惑。如今，在一項新的研究中，來自荷蘭代爾夫特理工大學卡夫利研究所和位於德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室（EMBL）的研究人員分離出這個過程，拍攝它的影像，並且實時觀察一種被稱作凝縮蛋白（condensin）的蛋白複合物如何纏繞DNA從而擠壓出環狀結構（loop）。通過在DNA長鏈中擠壓出許多這樣的環狀結構，細胞高效地壓縮它的基因組，因此細胞中的基因組能夠均勻分布到它的兩個子細胞中。相關研究結果於2018年2月22日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin」。

圖片來自Cees Dekker Lab TU Delft/Scixel。

這一發現解決了這個領域中的一項激烈的辯論，這是因為它最終解答了生物學中討論了一個多世紀的問題：在產生兩個子細胞之前，細胞中的DNA就好比是義大利麵條---DNA鏈混雜地摻合在一起。細胞需要組裝染色體中的這些混雜物，從而能夠將它的DNA整齊地分配到兩個子細胞中。多年來，人們已明確作為一種蛋白複合物，凝縮蛋白起著關鍵的作用，但是在此之前，生物學家們對凝縮蛋白是如何發揮作用的存在著分歧。有一種理論認為，凝縮蛋白的作用就像一個鉤子，能夠抓住這種DNA混雜物中的DNA並將它連接在一起。另一種理論認為環形的凝縮蛋白將DNA向內拉，從而讓它形成環狀結構。

去年11月，在發表在Science期刊上的一篇封面論文中，來自代爾夫特理工大學等研究機構的科學家們證實凝縮蛋白具有擠壓出這種環狀結構所需的馬達功能（Science, doi:10.1126/science.aan6516）。這為這個難題增加了一項重要的新內容，但正如英國牛津大學的Kim Nasmyth在同期Science上發表的一篇觀點類型論文（Science, doi:10.1126/science.aap8729）中指出的那樣，「凝縮蛋白是一種DNA轉位酶（DNA translocase）的發現當然與它作為一種環擠壓器（loop extruder）發揮功能的想法相一致，但這絕不意味著它證實了這一點，所面臨的挑戰仍然是觀察擠壓和轉位，以便確定它是單體還是多聚體複合物的性質，並闡明它的分子機制。」

如今，這一點已被證實。代爾夫特大學卡夫利研究所的Cees Dekker團隊與位於德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室的Christian Haering團隊一起拍攝出這種凝縮蛋白複合物發揮作用---它擠壓出DNA環狀結構---時的影像。Haering團隊開發出這種蛋白複合物的純化方法和熒游標記方法。

代爾夫特大學卡夫利研究所Dekker 實驗室博士後研究員Mahipal Ganji說，「我們僅是通過拍攝影像來證實這一點。DNA是如此雜亂的一種混雜物以至於很難在細胞中分離出這一過程並加以研究。在我們的研究中，第一步是將DNA分子的兩個末端固定在一個表面上，並對DNA和凝縮蛋白進行彩色染料標記。然後通過在與這種DNA分子相垂直的方向上加入液體並讓其流動，我們讓這種DNA呈現出U形，並將它放置在我們的顯微鏡的焦平面上。令人吃驚的是，我們隨後能夠觀察到單個凝縮蛋白結合上去，並擠壓出一個環狀結構。」

Dekker補充道，「這解決了這項爭論。這些數據提供了令人信服的證據來證實凝縮蛋白會纏繞DNA，從而形成環狀結構。我們的新型成像方法也允許測量各種類型的定量數據：環擠壓的對稱性、環狀結構的形成速度和當拉動DNA時會發生什麼。」

這些研究人員發現這種環狀結構形成速度是非常高的：凝縮蛋白每秒鐘能夠纏繞DNA中的高達1500個鹼基對。而且它這樣做僅消耗適量的細胞燃料ATP，這表明凝縮蛋白並不會逐個鹼基地沿著DNA進行移動，而是大跨步地拉著它。當輕微地拉動DNA時，這種環狀結構形成過程便減慢下來。顯然，在拉力存在下，凝縮蛋白似乎更努力地擠壓DNA，從而產生環狀結構。出乎意料的是，這種環擠壓是不對稱的：「我們觀察到凝縮蛋白停靠在DNA上，並將它自己錨定在那裡，隨後它開始僅從一側纏繞DNA。」Dekker補充道，「迄今為止，這是另一項有趣的發現。」

這項研究代表著對DNA的基本理解的重要一步，而且也對醫學產生重要的影響。凝縮蛋白所屬的SMC蛋白質家族出現差錯與德朗熱綜合征（Cornelia de Lange Syndrome）等遺傳性疾病存在關聯。凝縮蛋白在細胞分裂期間的染色體組裝中也發揮著至關重要的作用，而這個過程發生錯誤能夠導致癌症。更好地理解這些過程對追蹤嚴重疾病的分子起源是至關重要的。

原始出處：

Mahipal Ganji, Indra A. Shaltiel, Shveta Bisht et al. Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin. Science, Published online: 22 Feb 2018, doi:10.1126/science.aar7831

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