PNAS发现染色体折叠新概念：蛇形蛋白

赖斯大学的一项研究揭示了Coiled Coil结构如何指导染色体过程的细节

　　

事实证明，经常用来象征医学知识的蛇徽（coiled snakes）其实也具有现实意义，它们就像是生活的钥匙。

赖斯大学理论生物物理中心（CTBP）的一组研究人员在进行的必需蛋白质动力学研究中，发现这些动力学可以帮助DNA折叠成染色体上紧凑的功能形式。而且其中一种关键蛋白质的“coiled coils”结构互相盘绕，像蛇一样，在DNA中形成了更大的环。

这些环将DNA上调节遗传信息转录的位点聚集在一起。尽管近年来人们对环及其功能有了更深入的了解，但是直到现在，还没有研究能够仔细观察使DNA变形的凝集素和粘着蛋白。

最新研究发现染色体结构维持（SMC）蛋白质可以通过一种新机制积极地管理DNA。这一发现公布在1月PNAS杂志上，由José Onuchic和Peter Wolynes等人领导完成。

他们发现这些蛋白质具有环状套索，由两个35nm长的蛋白质卷曲螺旋组成。它们的一端是一对与DNA盘绕结合的“head unit”马达，另一端终止于“hinges”中，后者可以打开和闭合链。

实验室的模拟表明，这些coiled coils结构可以形成除了limp lariats以外的任何结构。

Krepel说：“coiled coils结构在某种程度上十分重要，而我们看到的是，这些长结构非常活跃。我们深入分析，但当我们进行模拟的时候，发现coils要聚在一起，就像耳机将它们放在包中时都会扭曲在一起一样。 ”

他说：“ DNA物理学的主要思想之一是DNA通过改变其卷曲程度和拓扑结构来运作。好吧，Braid（编织）是一种拓扑特征。我们认为，蛋白质的拓扑可以与DNA的拓扑相互作用，就像线在纺车上相互缠绕一样。”

这项研究是这一研究小组建模技术迄今面临的最大挑战之一，在这种情况下，该技术将相关蛋白质序列共同进化的直接偶联分析（DCA）与决定其形式和功能的蛋白质中原子力结合在一起。

为了完成进化线索较少的结构，研究小组使用了Wolynes及其同事开发的AWSEM算法，从蛋白质中原子力的粗略子集中确定了完整的折叠功能结构。

在这项研究中，研究小组研究了1,100-1,300个残基的凝聚素和黏附素结构。 “与我们之前研究的蛋白质相比，这些蛋白质非常多了”。

Onuchic说：“利用这种方法，我们可以预测结构，但是要了解其动力学细节，则需要真实的力场。因此，从最初预测的结构开始，我们运行了AWSEM模拟。这些模拟揭示了Braid这种新机理。”

下一步将是用两股DNA链测试一个更大的系统，这是一种更真实的表示，看扭曲作用是否成立。这项工作将关于蛋白质折叠的理论扩展到更大的染色体动力学问题上。研究人员指出，这将是该中心未来工作的主要目标之一。

Wolynes说：“这个分子及其在DNA中形成环的过程是我们正在进行的许多染色体研究计划的重要组成部分。” “有很多疾病是由染色体混乱引起的，我们希望这将有助于促进对染色体形成的机制有更好的了解。”

（生物通：万纹）

原文标题：

Braiding topology and the energy landscape of chromosome organization proteins