Science｜新研究从结构上揭示DNA促旋酶解开DNA缠结之谜

请在脑海中想象一下传统的“座机”电话，听筒与机身间由一圈圈紧密盘绕的电线相连。这个形象的盘绕电话线，与人体每一个细胞中承载遗传信息的DNA双螺旋结构，有一个共同点：它们都是超盘绕，或者说是自身盘绕，纠缠在一起难以解开。

对于DNA而言，倘若不对这种缠绕状态加以调控，那么关键的生命过程，如DNA复制及细胞分裂等，便会戛然而止。

在一项新的研究中，来自贝勒医学院、斯特拉斯堡大和巴黎西岱大学等研究机构的研究人员揭示了DNA促旋酶（DNA gyrase）是如何解决DNA缠结的。这些发现不仅为这一基本生物学机制提供了新的见解，而且具有潜在的实际应用价值。

相关研究结果发表在2024年4月12日的Science期刊上，论文标题为“Structural basis of DNA crossover capture by Escherichia coli DNA gyrase”。

DNA促旋酶是治疗细菌感染的生物医学靶标，而类似的人类DNA促旋酶版本则是许多抗癌药物的靶标。更深入地探究促旋酶在分子层面上的工作原理，无疑有望提升临床治疗效果。

适度的DNA超螺旋对于细胞读取和复制遗传信息至关重要，但超螺旋程度过低或过高均会造成损害。比如，在遗传密码读取和复制过程中，如果DNA过度缠绕，将会阻碍这些关键酶的正常运作。虽然早前已知DNA促旋酶在缓解DNA过度缠绕方面起到关键作用，但具体的解旋机制却尚未清晰。

DNA微环和先进的成像技术揭示了解开DNA缠结的第一步

贝勒医学院分子病毒学与微生物学教授Lynn Zechiedrich博士说，“我们通常把DNA想象成笔直的双螺旋结构，但在细胞内，DNA实际上是以超螺旋环的形式存在。理解超螺旋与涉及DNA功能的酶之间的分子互动颇具挑战性，因此以往的研究多采用线性DNA分子而非盘绕的DNA来进行探索。我们实验室的一大目标就是利用更贴近活细胞中超螺旋和环状DNA形态的DNA结构，来研究这些互动关系。”

经过多年的努力，Zechiedrich 实验室构建出超卷曲 DNA 的小环。从本质上讲，他们将人们熟悉的直线型DNA双螺旋向任一方向扭转一次、两次、三次或更多次，然后将两端连接在一起形成一个环。他们之前对由此产生的超卷曲微环（minicircle）的三维结构进行了研究，发现这些微环形成了各种形状，他们假设诸如DNA促旋酶之类的酶可以识别这些形状。

在这项新的研究中，他们的假设被证实是正确的。他们结合各自的专业知识，利用低温电镜（一种可产生大分子高分辨率三维结构图的成像技术）和其他前沿科技手段，深入探究了DNA促旋酶与DNA微环间的相互作用。

论文共同通讯作者、斯特拉斯堡大学分子与细胞生物学研究所副教授Valérie Lamour博士说，“长久以来，我们的实验室一直热衷于揭示细胞内的分子纳米机器如何运转。我们特别关注DNA促旋酶，这种大型酶负责调节DNA的超螺旋状态。超螺旋不仅有助于细胞将长达约2米（6.6英尺）的线性DNA压缩到微小的细胞核内，还有诸多其他功能。”

当DNA在细胞核内超卷曲时，它会以不同的形式扭曲和折叠。想象一下，将开头提到的电话线反复扭转几次。它会越缠越紧，通过DNA链的交叉形成一个环，收紧这种超卷曲的结构。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adl5899

论文共同作者、Zechiedrich实验室的Jonathan Fogg博士说，“我们发现，正如我们之前假设的那样，DNA促旋酶被超卷曲的微环吸引，并将自己置于这个超卷曲微环的内部。”Lamour说，“这是促使DNA促旋酶解决DNA缠结的机制的第一步。”

Zechiedrich说，“DNA促旋酶如今被一个严密超卷曲的微环包围，它将切断微环中的一个DNA螺旋，将另一个DNA螺旋穿过切口，并重新密封断裂处，这就放松了过度缠绕，减轻了缠结，调节了DNA超卷曲，从而控制了DNA的活性。想象一下观看牛仔竞技表演。就像用套索套住牛一样，超卷曲的环状DNA第一步就抓住了DNA促旋酶。然后，DNA促旋酶切断DNA套索的一个双螺旋，并将另一个螺旋穿过切口，获得自由。”

论文另一位共同通讯作者Marc Nadal博士利用磁性镊子技术进一步验证了对缠绕在DNA促旋酶周围的微环中DNA路径的观察结果，磁性镊子作为一种生物物理工具，能够精确测量单个DNA分子的形变和长度变化。而在传统的试管“整体”实验中，面对数以万计的分子观测结果，往往容易忽略单个分子提供的独特信息。

有趣的是，DNA促旋酶活性的“DNA链反转模型（DNA strand inversion model）”是Patrick O. Brown博士和已故的Nicholas R. Cozzarelli博士于1979年在一篇Science论文中提出的，当时科学家们还无法获得超卷曲微环或DNA促旋酶的三维分子结构。

Zechiedrich感叹道，“45年后，我们终于提供了支持他们假设的实验证据，这对我来说意义非凡，因为Nicholas是我的博士后导师。”Lamour说，“这项新研究为研究这一类具有重大临床价值的保守酶的机制开辟了无数的前景。”

Fogg说，“这项新研究支持了有关 DNA 活动调节方式的新观点。我们提出，DNA并不是一种被酶作用的被动生物大分子，而是一种主动生物大分子，它利用超卷曲、成环和三维形状来引导DNA促旋酶等酶在多种情况下进入特定的DNA序列，这很可能会影响细胞对抗生素或其他治疗的反应。”

参考资料：

Marlène Vayssières et al. Structural basis of DNA crossover capture by Esherichia coli DNA gyrase. Science, 2024, doi:10.1126/science.adl5899.

First step to untangle DNA: supercoiled DNA captures gyrase like a lasso ropes cattle
https://www.bcm.edu/news/first-step-to-untangle-dna-supercoiled-dna-captures-gyrase-like-a-lasso-ropes-cattle