Nature：重大进展!凝缩蛋白相互作用将DNA折叠成Z环结构

2020年4月14日讯/BIOON/---细胞中的DNA相当于盘子上缠绕在一起的意大利面条。为了能够在细胞分裂时将DNA在两个子细胞之间整齐地分割，细胞将缠绕在一起的DNA组装成紧密的染色体。众所周知，一种名为凝缩蛋白（condensin）的蛋白复合物在这一过程中扮演着关键的角色，但生物学家们并不清楚它到底是如何起作用的。2018年2月，来自荷兰代尔夫特理工大学和德国海德堡大学的研究人员实时地揭示出凝缩蛋白在DNA上挤压出一个环形结构。

图片来自Delft University of Technology。 如今，在一项新的研究中，这些研究人员发现这绝不是凝缩蛋白包裹DNA的唯一方式。他们发现了一种全新的环形结构，他们称之为Z环（Z loop）。他们首次证实凝缩蛋白彼此间会相互作用，将DNA折叠成锯齿形结构（zigzag structure）。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“DNA-loop extruding condensin complexes can traverse one another”。

不仅仅是环形结构

论文第一作者、代尔夫特理工大学博士后研究员Eugene Kim博士说，“这项研究开始于一个问题，即DNA是否可以通过单个环形结构折叠成紧凑的染色体，或者说是否有更多的环形结构。我们希望能同时观察到多个凝缩蛋白。在实验中，我们发现了一种有趣的新形式的折叠DNA，它明显不同于单个环形结构，而且出人意料的是，它的出现频率也比单个环形结构多得多。我们通过实验弄清楚了DNA折叠成一种锯齿形结构。我们将这种锯齿形结构命名为Z环，这是因为DNA折叠成字母Z的形式。”

这些研究人员主要是出于好奇心，对这种锯齿形结构进行了研究。Kim 说，“这根本是预测不到的。我们当时就想知道：这样的结构是如何由两个凝缩蛋白构成的，其背后的分子机制是什么？”

通过凝缩蛋白相互作用导致DNA形成锯齿形结构

论文通讯作者、代尔夫特理工大学的Cees Dekker教授解释道，“当一个凝缩蛋白着陆在DNA上并形成单个环形结构时，Z形结构的产生就开始了。随后，第二个凝缩蛋白在这个环形结构内结合，开始制造出自己的环形结构，从而在一个环形结构中又形成了一个环形结构。当这两个凝缩蛋白在拔河比赛中相遇时，令人惊讶的事情发生了。第二个凝缩蛋白跳过第一个凝缩蛋白，抓住环形结构外的DNA，继续沿着DNA前进。我们非常惊奇地发现，凝缩蛋白可以互相通过。这与目前的模型完全不一致，这是因为目前的模型认为凝缩蛋白在相遇时会相互阻隔。”

观察到凝缩蛋白在工作

在细胞中，DNA是如此复杂的缠绕物，要分离和研究这种环挤压（loop extrusion）过程非常困难。因此，这些研究人员在玻璃板上可视化观察一个DNA分子中的环形结构形成。他们将DNA分子的两端附着在玻璃板的表面上，并将荧光标签附着到DNA和凝缩蛋白上。然后通过在液体中施加垂直于DNA分子的流动，他们就能够让DNA呈U形，并将它置于显微镜下进行成像。

医学上的意义

这项研究是对DNA的基本认识的重要一步。它还具有医学意义。凝缩蛋白所属的蛋白家族---SMC蛋白---存在的功能缺陷与德朗热综合征（Cornelia de Lange Syndrome）等性疾病有关。在细胞分裂过程中，凝缩蛋白在组装染色体的过程中也是至关重要的；这个过程中出现的错误会导致癌症。更好地了解它的基本分子作用机制对于寻找严重疾病的分子起源至关重要。（100医药网 100yiyao.com）

参考资料：

1.Eugene Kim et al. . Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2067-5.

2.Condensins mutually interact to fold DNA into a zigzag structure

https://phys.org/news/2020-03-condensins-mutually-interact-dna-zigzag.html