两篇Science文章：改变蛋白质研究的强大工具

　　

生物通报道  通过结合两项高度创新的实验技术，伊利诺伊大学厄尔本纳-香槟分校的科学家们第一次同时观察了在DNA修复中发挥至关重要作用的一些特异蛋白质的结构及相关功能，并为一些争议性很大的问题提供了确定的答案。他们的工作开启了研究的一些新途径，并为生物学工程带来了令人兴奋的新的可能性。

从事分子水平生物学系统研究的科学家们，多年来都是通过观测蛋白质分子的结构（原子的组织方式）来阐明每个蛋白质在细胞中执行的多种多样的功能。反之亦然：通过观测特殊蛋白质分子完成的特定工作，来提供有关各个分子构象的重要线索。直到最近，一些最先进的实验室实验都只能一次针对一个方面（静态形式或动态功能）展开调查，从这些结果中推断另一方面。这种间接的方法往往不能提供明确的答案。

现在伊利诺伊大学的生物物理学家Taekjip Ha和Yann Chemla将两项尖端的实验室技术结合到一起，直接查明了蛋白质的结构-功能关系。Ha因开发出一些创新性的分子荧光显微镜和光谱学技术而闻名于世（延伸阅读：多产学者连发两篇Science解决争论 ）。Chemla则是光学捕获技术方面的顶级专家。他们通过组合荧光显微镜和光学捕获技术，对一些联系结构和功能的问题提供了更为确定的答案。这些实验的结果发布在4月17日《科学》（Science）杂志上的两篇研究论文中。

在第一篇文章中，Chemla的研究小组探讨了大肠杆菌解旋酶UvrD的结构和功能关系。UvrD可以在需要进行DNA修复时解开DNA使得两条DNA链分离。在人体中有与之对应的蛋白质完成相同生命过程。Chemla研究小组探究的第一个问题就是，完成这项任务需要多少的UvrD蛋白——近期科学家们对于UvrD蛋白数量为一个还是两个一直存在争论。

Chemla说：“通过这样的方式我们解答了这一问题。我们将一种荧光染料分子置于每一个蛋白质上，因此我们可以计算它们。然后我们用光学捕获技术观察了DNA解旋。我们发现一个UvrD解旋酶可以完成一些事情——它可以解开DNA，但距离不是很远。它只在一段短距离内来来回回，因此我们认为这是‘无效’的。当我们使用两个UvrD分子时，它似乎解开了更远距离的DNA，且没有反复来回。”

Chemla研究小组还解开了关于UvrD结构与功能关系的一个问题。UvrD有 “开关”或“关闭” 两种不同的结构或状态。多年来专家们一直就每种状态相关的功能存在争议。

“这次我们利用了smFRET(单分子荧光共振能量转移)。我们将两种染料放在这一分子上，基于两者之间的距离，我们可以观察一种颜色或另一种颜色的光，指出分子是处于开放或是关闭位置。然后我们采用了光学捕获技术观察了这一分子是否正在解开双链DNA。”

“我们发现这些分子实际上是从开放状态旋转到关闭状态，再转回来。结果表明关闭状态解开了DNA链，利用一种扭力扳手的作用开放状态使得DNA链能够拉到一起。”

在第二篇文章中，Ha实验室研究小组改造了一种结构同源的解链酶Rep，通过使用一种交联分子作为“绑带”是它锁定在关闭或开放状态。

研究小组发现，当锁定在关闭位置时，它变成了一个能够长距离解开双链DNA的“超级解链酶”。锁定在开放位置时这一解链酶则不能执行任务。

能够生物工程改造一些分子去执行特定的任务为采用纳米孔技术的快速DNA测序等应用带来了希望。

Ha说：“我们基于对解链酶功能的基本认识改造出了这一超级解链酶，其可以作为一种强大的生物技术工具，比如在一些偏远地区用于敏感检测病原DNA。”

该研究小组对另一个结构同源的解链酶蛋白PcrA进行了重复试验并得出了相同的结果。研究小组进一步揭示了另一个PcrA互作的蛋白质在物理上是如何发挥作用的。他们证实了添加这一蛋白将PcrA锁定在了关闭状态。

Chemla说：“蛋白质是灵活可变的。每个蛋白可以执行多种功能。其他蛋白的存在可以通过改变它的结构来决定激活哪种功能。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Direct observation of structure-function relationship in a nucleic acid–processing enzyme.Science 17 April 2015: Vol. 348 no. 6232 pp. 352-354 DOI: 10.1126/science.aaa0130

Engineering of a superhelicase through conformational control.Science 17 April 2015: Vol. 348 no. 6232 pp. 344-347 DOI: 10.1126/science.aaa0445