Science：DNA上的漫步

　　

生物通报道：科学家们对细菌的一种限制性内切酶进行研究，揭示了解旋酶沿DNA做长距离移动的机制，展示了这种酶对ATP能源的高效利用，文章发表在本期Science杂志上。

解旋酶helicase是一类分布广泛的三磷酸腺苷酶（ATPase），在基因组中具有重要的功能。人类中的一些癌症就与细胞的解旋酶有关。德国Bristol大学和Dresden工业大学的研究人员发现，解旋酶能够将化学能和机械能巧妙的结合起来加以利用。这项研究深入解析了解旋酶的详细作用机制，将有助于加深人们对解旋酶作用的了解，帮助研究者们开发新的相关技术和治疗方法。

DNA解旋酶沿着DNA移动，并同时解开双螺旋，露出单链DNA以便进行修复或复制。此前人们普遍认为，这一过程伴随着化学能源ATP的消耗，并因此将解旋酶视为一种分子马达。

在这项新研究中，Ralf Seidel及其团队通过单分子荧光显微镜，观察了EcoP15I限制性内切酶在病毒（噬菌体）DNA上的移动。他们对解旋酶进行了荧光标记，在伸展一个DNA分子的同时，对单个解旋酶的移动进行观察。此外，研究人员还通过高分辨率的荧光光谱法，分析了上述过程中蛋白构造的动态变化，以及ATP消耗的动力学情况。

令人惊讶的是，这种解旋酶只在反应初期消耗ATP。研究显示，解旋酶在与目标位点结合时，水解ATP进行构象改变。此后解旋酶在DNA上的长距离移动，仅由热运动（thermal motion）驱使，这种热运动是指与周围水分子的碰撞。这样的机制形成了典型的“随机行走”（random walk）模式，即蛋白向前和向后移动的几率相同。

“我们的研究指出，解旋酶使用ATP能源进行构象改变，而不是用来解旋DNA。解旋酶在DNA上的长程移动，并不需要使用ATP能源。这种随机移动发生得很快，比许多ATP驱动马达更有效率。我们认为，解旋酶经由这一高效节能的途径沿着DNA移动，这一机制可能也参与了DNA修复等其它过程。”文章的资深作者之一，生化教授Mark Szczelkun说。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

The Helicase-Like Domains of Type III Restriction Enzymes Trigger Long-Range Diffusion Along DNA

Helicases are ubiquitous adenosine triphosphatases (ATPases) with widespread roles in genome metabolism. Here, we report a previously undescribed functionality for ATPases with helicase-like domains; namely, that ATP hydrolysis can trigger ATP-independent long-range protein diffusion on DNA in one dimension (1D). Specifically, using single-molecule fluorescence microscopy we show that the Type III restriction enzyme EcoP15I uses its ATPase to switch into a distinct structural state that diffuses on DNA over long distances and long times. The switching occurs only upon binding to the target site and requires hydrolysis of ~30 ATPs. We define the mechanism for these enzymes and show how ATPase activity is involved in DNA target site verification and 1D signaling, roles that are common in DNA metabolism: for example, in nucleotide excision and mismatch repair.