美院士首次揭示DNA超螺旋的三维结构

　　

生物通报道：最近，美国贝勒医学院的研究人员，使用一种多学科的方法，以前所未有的细节，揭示了超螺旋DNA的三维结构影像图，从而发现它的形状比著名的双螺旋更加动态。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》。延伸阅读：超越双螺旋：为什么不仅仅是DNA？。

分子病毒学和微生物学系的Lynn Zechiedrich教授和美国科学院院士、生物化学和分子生物学系的Wah Chiu教授，是本文的共同通讯作者，Lynn Zechiedrich教授说：“我们都知道和喜欢的美丽双螺旋结构，并不是DNA的实际活动形式。”

Chiu和Zechiedrich，与贝勒医学院的Steven Ludtke和Michael Schmid博士、英国利兹大学的Sarah A. Harris博士合作，用化学、物理学、数学和计算机建模，研究微小的DNA微环（现在被称为“MiniVectors”，由该研究团队命名，并且已经商业化），它只包含336个碱基对。碱基对是遗传物质的构建模块。

Zechiedrich说：“以前的研究是针对线性DNA的短片段（6～12个碱基对），但是人类DNA在你的身体内不断地移动——它盘绕和解开。你不能盘绕线性的DNA并研究它，所以我们必须缠成线圈。”

人体内的每个细胞都拥有约一米长的DNA（比研究团队制备的微环长一千万倍）。在这项研究中，他们缠绕或解开包含他们圆圈的DNA双螺旋，使用非常强大的显微镜，观察缠绕如何改变这些微环的外观。

研究人员设计了一个测试，以确保他们在实验室里制造的微小卷绕DNA环是具有生物活性的。他们使用的是纯化的人拓扑异构酶IIα——一个重要的酶，操纵DNA并且是抗癌药物的重要靶点。

这种酶解除了所有超螺旋微环的缠绕应力——即使最缠绕的，这是它在人体内的正常工作。这个结果意味着，这些微环必须看上去、并且表现得像人类细胞中拓扑异构酶遇到的更长的DNA。

本文共同作者Daniel J. Catanese博士指出：“这些酶对线性DNA没有任何影响，因为它不是盘绕的。”

本文共同第一作者Rossitza N. Irobalieva博士，使用低温电子断层扫描术——一种强大的显微镜技术，包括冷冻生物活性材料，首次提供了单个DNA分子的三维结构。她看到，缠绕引起了许多不同的形状。Irobalieva说：“一些微环有急弯，一些是8字形，其他一些看起来像球拍或缝纫针。一些看起来像鱼竿，因为它们太卷绕了。”

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本文另外一位共同第一作者、贝勒医学院的Jonathan Fogg博士指出：“能够观察到单个的DNA环，可以让我们了解生物活性DNA的不同结构。这些不同结构当中的每一个，都有利于DNA与蛋白质、其他DNA和RNA、以及抗癌药物的相互作用，从而适应必需的细胞过程。”

虽然研究人员希望看到，当DNA被解开时碱基对是开放的，但是他们惊讶地看到，卷得太紧的DNA发生了这种开放。他们推测，这种碱基对的破坏可能会导致灵活的铰链，从而使DNA急剧弯曲，也许有助于解释“一米的DNA如何可以被挤在一个小小的人类细胞中”。

Fogg说：“接下来，我们开始添加细胞的其他组件或抗癌药物，来看看DNA形状如何变化。”来自多个领域的一组研究人员将聚集在一起解决这个基本问题。

（生物通：王英）

注：Wah Chiu是利用Cryo-EM进行生物大分子复合物高分辨结构研究的先驱，担任美国贝勒医学院生化与分子生物学、分子生理和生物物理学等多个系的教授，美国国家大分子成像中心、休斯顿地区计算生物学W.M.Keck中心主任，《Quarterly Reviews of Biophysics》、《Structure》等多本杂志编委，并担任多个国家不同机构的科学顾问。他应用现代电子显微镜原理，结合物理计算、数学推导等多个学科的原理和技术，对多种生物大分子三维结构进行研究，在《Cell》、《Nature》和《Science》等知名杂志发表论文300多篇。

生物通推荐原文：
The research paper, 'The Structural Diversity of Supercoiled DNA', was published online today in Nature Communications.