移动的“滚筒洗衣机”，帮助DNA复制

莱斯大学的研究人员模拟了DNA复制的一个关键机制。这项研究可以帮助确定治疗疾病的新靶点。

　　

   

   

模拟展示了六边解旋酶蛋白在复制过程中如何沿着DNA链将双链分离成单链。莱斯大学的理论学家发现ATP水解是蛋白质阶梯运动的关键。这里可以看到一个完整的步骤。    

仅仅知道一个复杂生物系统的结构还不足以理解它是如何工作的。它有助于了解系统如何运行。在这种情况下，莱斯大学的研究人员模拟了DNA复制的一个关键机制。结合结构实验和计算机模拟，生物科学家Yang Gao，理论物理学家Peter Wolynes，研究生Shikai Jin和他们的同事揭示了螺旋酶(一种环状发动机蛋白家族)在复制过程中如何与DNA发生角力的细节。他们的工作可能揭示抗病药物的新靶点。

“这些都是动态的过程，单靠实验方法无法很好地捕捉到，”Gao说，他是生物科学助理教授，也是CPRIT癌症研究学者。“但展示这些解旋酶的机制很重要，因为它们对DNA复制至关重要，也可能是药物靶点。”

六聚解旋酶有六个端，从多肽自我组装成一个像垫圈一样的环，将亲本DNA双链分离成子单链。到目前为止，研究人员还无法确定解旋酶是如何解开双链的。

模拟结果支持了这样一种观点:解旋酶的六个亚基内的DNA结合环形成了一种楼梯，在ATP水解的作用下沿着DNA主干向下移动，在这个过程中，ATP分子中储存的化学能被释放出来。

已知ATP被吸引到NTPase蛋白的每个亚基，以驱动步进运动。但研究人员尚未确切了解ATP水解是关键。团队发现ATP与解旋酶亚基紧密结合，但这种水解显著降低了亚基解离的能量屏障，使蛋白质向前迈进。

研究人员指出，由于解旋酶-DNA复合体如此之大，只有少数几次尝试模拟解旋酶从链的一端转到另一端。两种粗粒模拟技术的为研究这一过程提供了契机。

模拟揭示了几个之前未知的中间状态，并确定了解旋酶长距离运动中涉及的相互作用。他们表明，易位的每一步都可以沿着主干移动超过12个核苷酸。

为了寻找这种机制，该团队专注于T7噬菌体，这是一种感染细菌的病毒，经常被用作模型系统。为了模拟被称为gp4的解旋酶，研究人员结合了两个力场:AWSEM(最初由Wolynes和他的同事开发，用来预测蛋白质折叠的方式)和open3SPN2(芝加哥大学分子工程师Juan de Pablo开发的DNA模拟器)。力场描述了当原子和分子接触时如何运动的力。(这种力场的新型组合是莱斯领导的一篇2021年发表在《公共科学图书馆计算生物学》(PLOS Computational Biology)上的论文的主题。)

这两个力场都是基于机器学习的粗粒度分子模型，它们只使用系统中的一部分原子，但仍能提供准确的结果，同时大大减少了计算时间。Jin说:“结合模型使GPU加速成为可能，这样我们就可以使分子动力学模拟非常快。组合后的软件现在比我们用于其他研究的版本快30倍。”

T7只有人类细胞解旋酶的一半大小，这一点很有帮助。“在人类系统中，解旋酶中有六种不同的多肽链，但在T7中，它是同一种多肽链，可以产生六份拷贝。”

理论生物物理中心的副主任Wolynes说:“因为我们的新形式的open3SPN2处理的是单链DNA，它让我们能够分析通常双链DNA在解旋酶存在时打开的过程。单链DNA力场本身是新颖的，但这只是这个项目的背景，它使我们能够更详细地观察这个过程。”

Gao说:“我们为这些必不可少的复合体提供的冷冻电镜结构在生理上是精确的，但这些系统是动态的。这就是这些计算模型可以做出巨大贡献的地方，它们肯定会适应其他大型系统，以研究相当重要的问题。”

Computationally exploring the mechanism of bacteriophage T7 gp4 helicase translocating along ssDNA