《Cell》突破性研究推翻了“DNA環形成”的舊定律

來源：作者：人氣：-發表時間：2025-01-22 13:20:00【大中小】

摘要：科學家發現，塑造我們DNA的蛋白質機器可以改變方向。

來自代爾夫特、維也納和洛桑的科學家發現，塑造我們DNA的蛋白質機器可以改變方向。到目前為止，研究人員認為這些所謂的SMC馬達只能向一個方向移動。這一發現發表在《Cell》雜志上，是理解這些馬達如何塑造我們的基因組和調節我們的基因的關鍵。

圖1 SMC運動蛋白不對稱地擠壓DNA并可以改變方向

DNA連接

“有時，細胞需要快速改變哪些基因應該表達，哪些應該關閉，例如對食物、酒精或熱量的反應。為了關閉和打開基因，細胞使用染色體結構維護（SMC）馬達，就像開關一樣連接DNA的不同部分，”第一作者Roman Barth解釋道。

代爾夫特理工大學的Roman Barth說：“然而，SMC機器自然不知道要連接哪些部件。它們只是在DNA上的某個地方裝載，并開始將其塑造成一個環，直到它們到達一個被迫停止的點。這就是為什么他們嚴重依賴于探索DNA兩側的能力來找到正確的停止標志。”

齒輪箱

代爾夫特理工大學的生物物理學家現在發現，SMC馬達可以改變方向，這與之前認為的可能相反。“我們的實驗表明，SMCs暫時從一側拉DNA，然后切換方向從另一側拉DNA。通過這樣做，隨著時間的推移，它們可以將DNA從兩側拉入一個環。我們發現這對所有類型的SMC馬達都是正確的，其中有很多，”代爾夫特教授Cees Dekker說。“你可以把它比作汽車的變速箱：通過手動變速桿，你可以讓汽車前進或后退。我們甚至在黏結蛋白SMC馬達蛋白中發現了‘齒輪桿’，即蛋白質亞基NIPBL。”

圖2 SMC介導的DNA環擠出過程中穿插著環擴散和環滑動事件

令人印象深刻的納米技術

為了發現SMC馬達的反向齒輪，研究人員使用了一種先進的自制顯微鏡來觀察單個DNA分子上的單個蛋白質。這本身就是一項令人印象深刻的成就，正如Barth解釋的那樣：“單個細胞包含數百萬種蛋白質，而人體由數萬億個細胞組成。提取出一些蛋白質，并能夠一個一個地‘觀察’它們，這是納米技術的一項了不起的壯舉，它涉及到納米尺度的成像——比人類頭發的寬度還小10萬納米。”

神經退行性疾病

“一旦我們了解了SMC分子馬達是如何塑造DNA的，我們可能會開始問，在癌癥和神經變性疾病等疾病中，是什么出了問題，更重要的是，如何糾正它，”Barth說。“例如，神經生殖疾病可能是懷孕早期基因失調的結果。事實上，有一些嚴重的疾病，如Cornelia de Lange綜合征，與SMCs有關，其中馬達可能無法在胚胎細胞內正確切換。”

該研究最終解決了科學界對SMCs如何工作的各種相互矛盾的理論的困惑。早期的研究表明，SMCs只能嚴格地向一個方向移動，而其他研究表明，它們同時從兩個方向吸收DNA。這一發現解決了這些爭議。

Barth：“發現SMC馬達之間的共性有助于集中和簡化SMC研究領域。我們不再需要為每種類型的SMC蛋白尋找新的機制。它還將加速該領域向應用科學的發展。我很高興看到這些知識進入制藥公司、醫院，并最終進入醫生的辦公室。”

參考資料

[1] SMC motor proteins extrude DNA asymmetrically and can switch directions