《Nature Communications》：Shield strike shatter in DNA topology and nuclease interactions
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核酸酶介导的DNA降解对基因组维持、免疫防御和细胞外DNA的清除至关重要，但其在单分子水平上的执行机制仍不明确。研究人员使用高速原子力显微镜（HS-AFM）以纳米分辨率直接可视化了DNase I消化DNA的实时动态。DNase I在切割起始前反复回访结构应力区
核酸酶介导的DNA降解对基因组维持、免疫防御和细胞外DNA的清除至关重要，但其在单分子水平上的执行机制仍不明确。研究人员使用高速原子力显微镜（HS-AFM）以纳米分辨率直接可视化了DNase I消化DNA的实时动态。DNase I在切割起始前反复回访结构应力区，揭示了一种对拓扑结构敏感的相互作用模式，这种模式是群体生化方法无法触及的。时间分辨成像进一步揭示了一个多步骤降解轨迹，包括DNA扫描、局部结合、链断裂和渐进性丝状结构解体，研究人员将其命名为STORM（Scan, Target, Occupy, Rupture, Mobilize）框架。同时，研究人员发现鱼精蛋白诱导的DNA凝聚形成棒状和环状结构，显著抑制酶的可用性，并稳定DNA免受核酸酶攻击。总之，这些发现建立了一个纳米尺度的结构和动力学框架，用以理解DNA在酶应激下如何被降解或被保护，这对染色质生物学、先天免疫、自身免疫性疾病以及抗核酸酶基因递送系统的设计具有重要意义。
基因组完整性是在高度组织化的核环境中得以维持的，其中染色质结构决定DNA的物理组织和可及性。然而，DNA持续面临酶促降解、氧化应激和机械损伤的威胁。脱氧核糖核酸酶I（DNase I）作为典型的双链DNA内切酶，在免疫稳态和临床干预中具有重要作用：其活性降低与系统性红斑狼疮（SLE）等自身免疫病相关，而治疗性DNase I被用于减少囊性纤维化、脓毒症和创伤中的细胞外DNA（ecDNA）积累。尽管具有临床重要性，DNase I如何在单分子水平上识别、结合并切割DNA，以及DNA底物的物理状态如何影响其降解，仍缺乏清晰认识。传统方法如X射线晶体学、透射电镜、原子力显微镜和荧光显微镜受限于时间分辨率、固定伪影或间接标记，难以捕捉快速、瞬时且对拓扑敏感的酶结合步骤。为此，研究人员开展本研究，利用高速原子力显微镜（HS-AFM）直接观察DNase I降解DNA与鱼精蛋白保护DNA的实时动态，并提出了STORM框架。该研究发表于《Nature Communications》。
研究采用的关键技术包括：HS-AFM液体环境实时成像，利用超短悬臂梁和快速反馈控制在近生理条件下以纳米空间分辨率和亚秒级时间分辨率观察分子动态；构建三种DNA-表面相互作用不同的底物——Ni
2+功能化云母、APTES修饰云母和支撑脂质双层——以调节DNA的吸附强度、移动性和构象限制；以λ-DNA（48.5 kbp）为底物，在添加牛胰DNase I或微球菌核酸酶（MNase）后进行连续成像；结合AlphaFold3结构预测、AFM模拟和基于Python的随机化模型，对酶颗粒形态、回访频率和空间分布进行定量分析。所有成像实验均独立重复至少三次。
一、鱼精蛋白诱导的DNA凝聚抑制DNase I的可及性和切割动力学。通过预混合鱼精蛋白与λ-DNA形成凝聚体后加酶成像，定量分析显示DNA主要形成棒状（49.0%）和环状（37.8%）两种结构，少量松散卷曲中间态（13.2%）。时间序列成像显示，环状凝聚体具有更厚且致密的环形组织，DNase I颗粒难以进入中央区域；棒状
