發(fā)布日期：2018-02-26
引人注目的是，活的細(xì)胞當(dāng)準(zhǔn)備分裂時，能夠?qū)⒁欢央s亂的長達(dá)兩米的DNA包裝成整齊的微小染色體。然而，科學(xué)家們幾十年來一直對這個過程是如何發(fā)生的感到困惑。如今，在一項新的研究中，來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)卡夫利研究所和位于德國海德堡的歐洲分子生物學(xué)實驗室（EMBL）的研究人員分離出這個過程，拍攝它的影像，并且實時觀察一種被稱作凝縮蛋白（condensin）的蛋白復(fù)合物如何纏繞DNA從而擠壓出環(huán)狀結(jié)構(gòu)（loop）。通過在DNA長鏈中擠壓出許多這樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞高效地壓縮它的基因組，因此細(xì)胞中的基因組能夠均勻分布到它的兩個子細(xì)胞中。相關(guān)研究結(jié)果于2018年2月22日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin”。
這一發(fā)現(xiàn)解決了這個領(lǐng)域中的一項激烈的辯論，這是因為它最終解答了生物學(xué)中討論了一個多世紀(jì)的問題：在產(chǎn)生兩個子細(xì)胞之前，細(xì)胞中的DNA就好比是意大利面條---DNA鏈混雜地?fù)胶显谝黄稹＜?xì)胞需要組裝染色體中的這些混雜物，從而能夠?qū)⑺腄NA整齊地分配到兩個子細(xì)胞中。多年來，人們已明確作為一種蛋白復(fù)合物，凝縮蛋白起著關(guān)鍵的作用，但是在此之前，生物學(xué)家們對凝縮蛋白是如何發(fā)揮作用的存在著分歧。有一種理論認(rèn)為，凝縮蛋白的作用就像一個鉤子，能夠抓住這種DNA混雜物中的DNA并將它連接在一起。另一種理論認(rèn)為環(huán)形的凝縮蛋白將DNA向內(nèi)拉，從而讓它形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
去年11月，在發(fā)表在Science期刊上的一篇封面論文中，來自代爾夫特理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們證實凝縮蛋白具有擠壓出這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)所需的馬達(dá)功能（Science, doi:10.1126/science.aan6516）。這為這個難題增加了一項重要的新內(nèi)容，但正如英國牛津大學(xué)的Kim Nasmyth在同期Science上發(fā)表的一篇觀點類型論文（Science, doi:10.1126/science.aap8729）中指出的那樣，“凝縮蛋白是一種DNA轉(zhuǎn)位酶（DNA translocase）的發(fā)現(xiàn)當(dāng)然與它作為一種環(huán)擠壓器（loop extruder）發(fā)揮功能的想法相一致，但這絕不意味著它證實了這一點，所面臨的挑戰(zhàn)仍然是觀察擠壓和轉(zhuǎn)位，以便確定它是單體還是多聚體復(fù)合物的性質(zhì)，并闡明它的分子機(jī)制。”
如今，這一點已被證實。代爾夫特大學(xué)卡夫利研究所的Cees Dekker團(tuán)隊與位于德國海德堡的歐洲分子生物學(xué)實驗室的Christian Haering團(tuán)隊一起拍攝出這種凝縮蛋白復(fù)合物發(fā)揮作用---它擠壓出DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)---時的影像。Haering團(tuán)隊開發(fā)出這種蛋白復(fù)合物的純化方法和熒光標(biāo)記方法。
代爾夫特大學(xué)卡夫利研究所Dekker 實驗室博士后研究員Mahipal Ganji說，“我們僅是通過拍攝影像來證實這一點。DNA是如此雜亂的一種混雜物以至于很難在細(xì)胞中分離出這一過程并加以研究。在我們的研究中，第一步是將DNA分子的兩個末端固定在一個表面上，并對DNA和凝縮蛋白進(jìn)行彩色染料標(biāo)記。然后通過在與這種DNA分子相垂直的方向上加入液體并讓其流動，我們讓這種DNA呈現(xiàn)出U形，并將它放置在我們的顯微鏡的焦平面上。令人吃驚的是，我們隨后能夠觀察到單個凝縮蛋白結(jié)合上去，并擠壓出一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。”
Dekker補充道，“這解決了這項爭論。這些數(shù)據(jù)提供了令人信服的證據(jù)來證實凝縮蛋白會纏繞DNA，從而形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。我們的新型成像方法也允許測量各種類型的定量數(shù)據(jù)：環(huán)擠壓的對稱性、環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成速度和當(dāng)拉動DNA時會發(fā)生什么。”
這些研究人員發(fā)現(xiàn)這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成速度是非常高的：凝縮蛋白每秒鐘能夠纏繞DNA中的高達(dá)1500個堿基對。而且它這樣做僅消耗適量的細(xì)胞燃料ATP，這表明凝縮蛋白并不會逐個堿基地沿著DNA進(jìn)行移動，而是大跨步地拉著它。當(dāng)輕微地拉動DNA時，這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成過程便減慢下來。顯然，在拉力存在下，凝縮蛋白似乎更努力地擠壓DNA，從而產(chǎn)生環(huán)狀結(jié)構(gòu)。出乎意料的是，這種環(huán)擠壓是不對稱的：“我們觀察到凝縮蛋白?？吭贒NA上，并將它自己錨定在那里，隨后它開始僅從一側(cè)纏繞DNA。”Dekker補充道，“迄今為止，這是另一項有趣的發(fā)現(xiàn)。”
這項研究代表著對DNA的基本理解的重要一步，而且也對醫(yī)學(xué)產(chǎn)生重要的影響。凝縮蛋白所屬的SMC蛋白質(zhì)家族出現(xiàn)差錯與德朗熱綜合征（Cornelia de Lange Syndrome）等遺傳性疾病存在關(guān)聯(lián)。凝縮蛋白在細(xì)胞分裂期間的染色體組裝中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而這個過程發(fā)生錯誤能夠?qū)е掳┌Y。更好地理解這些過程對追蹤嚴(yán)重疾病的分子起源是至關(guān)重要的。
來源：生物谷
