Cell：鑒定出蛋白GapR識別過度扭曲的DNA結構

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DNA是一種冗長的分子，比它所在的細胞長大約1000倍，因此不能隨意地將它塞到細胞中去。相反，它必須整齊地加以組裝，這樣參與關鍵過程的蛋白就能夠訪問DNA中的鹼基包含的信息。可以將雙螺旋DNA想像成一對纏繞在一起的鞋帶，一次又一次自我纏繞著，從而讓它變得更加緊湊。

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.08.029。

然而，當涉及細胞分裂時，這種超螺旋性質使得參與DNA複製的蛋白難以接近兩條DNA鏈，將它們分開並複製它們，這樣就可將一個DNA分子變成兩個DNA分子。

DNA複製開始於染色體的特定區域，在那裡，特殊的蛋白將兩條DNA鏈分開，就像解開兩條鞋帶一樣拉開DNA雙螺旋。然而，這種局部分離實際上會進一步讓DNA分子的其餘部分纏結在一起，並且在沒有干預的情況下導致張力的積累，從而停止DNA複製。這時被稱為拓撲異構酶（topoisomerase）的酶進來了，當兩條DNA鏈被分離開時，這些拓撲異構酶在這兩條DNA鏈的前面移動，切斷它們，解開它們，隨後重新將它們連接在一起從而緩解由DNA超螺旋引起的張力。

人們通常認為這些拓撲異構酶足以允許DNA複製進行。然而，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院和杜克大學醫學院的研究人員指出這些拓撲異構酶可能需要額外蛋白的指導，這些額外的蛋白識別過度扭曲的DNA的特徵性形狀。

相關研究結果於2018年9月13日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「A Bacterial Chromosome Structuring Protein Binds Overtwisted DNA to Stimulate Type II Topoisomerases and Enable DNA Replication」。論文通信作者為麻省理工學院的Michael T. Laub和杜克大學醫學院的Maria A. Schumacher。論文第一作者為麻省理工學院的Monica S. Guo和Diane L. Haakonsen。

Laub說，「長期以來我們就已知道拓撲異構酶是DNA複製所必需的，但是並不清楚的是，它們自身是否就已足夠了。這是第一篇論文鑒定出細菌或真核生物中的一種蛋白是將拓撲異構酶定位在複製叉之前並幫助它們做它們在那裡需要做的事情所必需的。」

必需但並不是足夠的

儘管眾所周知拓撲異構酶對DNA複製是至關重要的，但是如今越來越清楚的是，我們對調節它們的活性的機制知之甚少，包括它們在何時何地採取行動來緩解由DNA超螺旋引起的壓力。

依據於拓撲異構酶切割的DNA鏈數量，它們可分為兩類：I型拓撲異構酶和II型拓撲異構酶。這些研究人員著重關注在一種常見的淡水細菌---新月柄桿菌（Caulobacter crescentus）---中發現的II型拓撲異構酶。

細菌中的II型拓撲異構酶是特別令人感興趣的，這是因為許多抗生素靶向它們來阻止DNA複製，從而可以治療多種微生物感染，包括結核病。在沒有拓撲異構酶的情形下，細菌就無法生長。鑒於這些細菌拓撲異構酶是獨特的，針對它們的藥物不會破壞人類拓撲異構酶。

長期以來，II型拓撲異構酶通常被認為憑自己的力量就足以控制複製過程中出現的過度扭曲的DNA超螺旋。儘管研究大腸桿菌和其他高等生物的科學家們已確定了能夠激活或抑制這些酶的其他蛋白，但這些蛋白都並不是DNA複製所必需的。

這些發現提示著在其他生物中可能發生著類似的相互作用。為了了解特異性地參與壓縮新月柄桿菌DNA------特異性地調節拓撲異構酶活性---的蛋白因子，這些研究人員篩選了這種細菌中與超螺旋DNA緊密結合在一起的蛋白。

他們重點分析了一種被稱作GapR的蛋白，這是因為他們發現這種蛋白對DNA複製是至關重要的。在缺乏GapR的細菌中，DNA變得過度扭曲，複製緩慢，因而細菌最終死亡。

令人吃驚的是，這些研究人員發現GapR識別過度扭曲的DNA結構，而不是特定的核苷酸序列。

Laub說，「絕大多數DNA結合蛋白通過識別一組特定的鹼基而結合到基因組的特定位置上。 但是GapR基本上並不關注實際的鹼基序列，它僅識別過度扭曲的獨特地出現在複製叉和轉錄機器（transcription machinery, 即轉錄複合物，用於對DNA進行轉錄）前面的DNA的形狀。」

蛋白GapR與DNA結合在一起時的晶體結構由Schumacher解析出來，它揭示出GapR識別DNA的骨架（而不是它的鹼基），從而形成一種包圍著過度扭曲的DNA的緊密夾鉗（snug clamp）。然而，當DNA處於鬆弛狀態下時，它不再適合位於這種緊密夾鉗的內部。這可能意味著GapR僅位於DNA中需要拓撲異構酶的位置上。

一個激動人心的里程碑

雖然GapR似乎是DNA複製所必需的，但是目前尚不清楚這種蛋白如何促進拓撲異構酶發揮功能來緩解由DNA超螺旋引起的張力。

Guo說，「在沒有任何其他蛋白存在的情況下，GapR能夠幫助II型拓撲異構酶更快地移除正向超螺旋，但我們仍然不知道這是如何實現的。一種觀點是GapR與拓撲異構酶相互作用，識別過度扭曲的DNA並招募這些拓撲異構酶。另一種可能性就是GapR實際上抓住DNA並限制正向超螺旋的運動，這樣拓撲異構酶就能夠更快地靶向並消除它們。」

這是首次證實諸如GapR之類的拓撲異構酶激活劑是DNA複製所必需的。儘管在高等生物中不存在GapR同源物，但是可能存在類似的蛋白來識別DNA的形狀和協助和定位拓撲異構酶。

參考資料：

Monica S. Guo, Diane L. Haakonsen, Wenjie Zeng et al. A Bacterial Chromosome Structuring Protein Binds Overtwisted DNA to Stimulate Type II Topoisomerases and Enable DNA Replication. Cell, Published Online: 13 September 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.08.029.

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