《Cell》突破性研究推翻了“DNA环形成”的旧定律

来源：作者：人气：-发表时间：2025-01-22 13:20:00【大中小】

摘要：科学家发现，塑造我们DNA的蛋白质机器可以改变方向。

来自代尔夫特、维也纳和洛桑的科学家发现，塑造我们DNA的蛋白质机器可以改变方向。到目前为止，研究人员认为这些所谓的SMC马达只能向一个方向移动。这一发现发表在《Cell》杂志上，是理解这些马达如何塑造我们的基因组和调节我们的基因的关键。

图1 SMC运动蛋白不对称地挤压DNA并可以改变方向

DNA连接

“有时，细胞需要快速改变哪些基因应该表达，哪些应该关闭，例如对食物、酒精或热量的反应。为了关闭和打开基因，细胞使用染色体结构维护（SMC）马达，就像开关一样连接DNA的不同部分，”第一作者Roman Barth解释道。

代尔夫特理工大学的Roman Barth说：“然而，SMC机器自然不知道要连接哪些部件。它们只是在DNA上的某个地方装载，并开始将其塑造成一个环，直到它们到达一个被迫停止的点。这就是为什么他们严重依赖于探索DNA两侧的能力来找到正确的停止标志。”

齿轮箱

代尔夫特理工大学的生物物理学家现在发现，SMC马达可以改变方向，这与之前认为的可能相反。“我们的实验表明，SMCs暂时从一侧拉DNA，然后切换方向从另一侧拉DNA。通过这样做，随着时间的推移，它们可以将DNA从两侧拉入一个环。我们发现这对所有类型的SMC马达都是正确的，其中有很多，”代尔夫特教授Cees Dekker说。“你可以把它比作汽车的变速箱：通过手动变速杆，你可以让汽车前进或后退。我们甚至在黏结蛋白SMC马达蛋白中发现了‘齿轮杆’，即蛋白质亚基NIPBL。”

图2 SMC介导的DNA环挤出过程中穿插着环扩散和环滑动事件

令人印象深刻的纳米技术

为了发现SMC马达的反向齿轮，研究人员使用了一种先进的自制显微镜来观察单个DNA分子上的单个蛋白质。这本身就是一项令人印象深刻的成就，正如Barth解释的那样：“单个细胞包含数百万种蛋白质，而人体由数万亿个细胞组成。提取出一些蛋白质，并能够一个一个地‘观察’它们，这是纳米技术的一项了不起的壮举，它涉及到纳米尺度的成像——比人类头发的宽度还小10万纳米。”

神经退行性疾病

“一旦我们了解了SMC分子马达是如何塑造DNA的，我们可能会开始问，在癌症和神经变性疾病等疾病中，是什么出了问题，更重要的是，如何纠正它，”Barth说。“例如，神经生殖疾病可能是怀孕早期基因失调的结果。事实上，有一些严重的疾病，如Cornelia de Lange综合征，与SMCs有关，其中马达可能无法在胚胎细胞内正确切换。”

该研究最终解决了科学界对SMCs如何工作的各种相互矛盾的理论的困惑。早期的研究表明，SMCs只能严格地向一个方向移动，而其他研究表明，它们同时从两个方向吸收DNA。这一发现解决了这些争议。

Barth：“发现SMC马达之间的共性有助于集中和简化SMC研究领域。我们不再需要为每种类型的SMC蛋白寻找新的机制。它还将加速该领域向应用科学的发展。我很高兴看到这些知识进入制药公司、医院，并最终进入医生的办公室。”

参考资料

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