凝聚素I与拓扑异构酶IIα协同作用驱动单分子DNA压缩的分子机制解析

本研究通过单分子荧光显微技术揭示了凝聚素I(condensin I)与拓扑异构酶IIα(topo IIα)在染色体组装中的协同机制。研究人员发现topo IIα通过其C端结构域(CTD)促进condensin I介导的DNA形成稳定压缩结构，并依赖其链传递活性产生抗蛋白酶解的DNA结节。该研究为阐明有丝分裂染色体组装的核心机制提供了关键实验证据，发表于《Nature Communications》。

　　

在有丝分裂过程中，染色体如何从松散染色质转变为高度凝缩的棒状结构一直是细胞生物学的核心问题。这一过程需要精确调控，以确保遗传物质正确分离。过去研究表明，两种ATP酶——凝聚素I(condensin I)和拓扑异构酶IIα(topo IIα)在此过程中发挥关键作用，但二者如何协同工作的分子机制尚不清楚。

日本理化研究所(RIKEN)的研究团队通过创新的单分子实验设计，首次在体外重构了这两种关键因子共同作用下的DNA动态变化过程。研究发现topo IIα能显著增强condensin I介导的DNA压缩结构稳定性，这种作用依赖于topo IIα的C端结构域(CTD)。更重要的是，这种压缩结构中存在抗蛋白酶解的DNA结节，揭示了染色体稳定性的新机制。该成果发表于《Nature Communications》，为理解染色体高级结构形成提供了重要理论框架。

研究主要采用四种关键技术：1) 基于流式细胞的全长λDNA单分子成像系统；2) 荧光标记蛋白的单分子追踪技术；3) 蛋白酶抗性实验验证DNA拓扑结构变化；4) 拓扑异构酶活性缺失突变体(Y803F)和CTD缺失突变体(ΔCTD)的功能比较分析。

结果部分：

凝聚素I在topo IIα存在下形成稳定"团块"

通过单分子成像发现，condensin I单独作用时主要形成DNA环(35.6%)和不稳定"团块"(27.3%)。但当加入低浓度(0.125 nM)topo IIα后，团块形成比例显著提升至70%，且持续时间从数分钟延长至20分钟以上。光漂白实验证实每个团块平均含有1-2个condensin I复合物和1个topo IIα二聚体。

抗蛋白酶解团块含有DNA结节

蛋白酶处理后，condensin I单独形成的团块立即解离，而与topo IIα共同形成的团块保持稳定。进一步实验表明，这种抗性依赖于topo IIα的链传递活性，因为催化突变体Y803F形成的团块几乎完全丧失抗性。当对去蛋白化团块重新加入topo IIα时，大多数团块通过单步反应解离，证实其含有DNA结节结构。

topo IIα的CTD是功能关键

CTD缺失突变体(ΔCTD)虽然保留催化活性，但完全丧失促进抗蛋白酶解团块形成的能力。这与前期研究发现CTD对染色体定位至关重要的结果一致，表明CTD介导的长时间DNA结合是功能实现的关键。

condensin I的ATP酶活性促进结节形成

ATP水解缺陷突变体(condensin I^EQ)与topo IIα形成的团块体积更小且90%对蛋白酶敏感。这表明condensin I通过ATP水解驱动的"环挤压"活动为topo IIα创造理想的DNA结节形成底物。

讨论与意义：

该研究首次在单分子水平阐明condensin I和topo IIα协同作用的三步模型：1) condensin I通过ATP水解启动DNA压缩；2) topo IIα通过CTD稳定结合在condensin I创造的特定DNA结构上；3) topo IIα的链传递活性产生DNA结节，实现结构稳定。这一发现为解释有丝分裂染色体如何同时实现高度压缩和结构稳定提供了机制性答案。

特别值得注意的是，研究提出的"染色体内自缠绕"(intra-chromatid entanglement)概念更新了传统认知。在拥挤的染色体环境中，topo IIα可能通过两种方式稳定染色体：单环内DNA缠绕促进横向压缩，相邻环间缠绕促进轴向缩短。这些发现为理解染色体动力学开辟了新视角，对染色体异常相关疾病机制研究具有重要启示。