DNA是一種冗長的分子 - 比它所在的細胞長約1,000倍 - 所以它不能隨意地堵塞。相反，它必須整齊地組織，因此參與關鍵過程的蛋白質可以訪問其核苷酸堿基中包含的信息?？梢韵胂箅p螺旋就像一對扭結在一起的鞋帶，一次又一次地盤繞在一起，使分子更加緊湊。

然而，當細胞分裂時，這種超螺旋性質使得參與DNA復制的蛋白質難以接近鏈，分離它們并復制它們，因此一個DNA分子可以變成兩個。

復制開始于染色體的特定區(qū)域，其中特殊的蛋白質將兩條鏈分開，像兩條鞋帶一樣拉開雙螺旋。然而，這種局部分離實際上進一步纏結了分子的其余部分，并且在沒有干預的情況下產生了緊張的累積，阻礙了復制。進入被稱為拓撲異構酶的酶，當它們被剝離時，它們在束前行進，剪斷它們，解開它們，然后重新加入它們以減輕由超螺旋引起的張力。

通常認為這些拓撲異構酶足以允許復制進行。然而，來自麻省理工學院和杜克大學醫(yī)學院的一組研究人員表示，酶可能需要額外蛋白質的指導，這些蛋白質識別過度扭曲DNA的形狀特征。

“很長一段時間我們都知道拓撲異構酶是復制所必需的，但是它們自身是否足夠已經不為人知了，”麻省理工學院生物學教授，霍華德休斯醫(yī)學研究所研究員，高級作者Michael Laub說。研究。“這是第一篇在細菌或真核生物中鑒定蛋白質的論文，它需要在復制叉之前定位拓撲異構酶，并幫助他們做那些他們在那里做的事情。”

博士后Monica Guo '07和前研究生Diane Haakonsen博士。'16是該研究的共同第一作者，該研究于9月13日在Cell雜志上發(fā)表。

必要但不充分

盡管拓撲異構酶對DNA復制至關重要，但現(xiàn)在已經很清楚，我們對調節(jié)其活性的機制知之甚少，包括它們在何時何地采取行動以緩解超螺旋。

這些酶分為兩類，I型和II型，取決于它們切割的DNA鏈數(shù)。研究人員專注于在常見的淡水細菌Caulobacter crescentus中發(fā)現(xiàn)的II型拓撲異構酶。細菌中的II型拓撲異構酶是特別令人感興趣的，因為許多抗生素靶向它們以防止DNA復制，治療多種微生物感染，包括結核病。沒有拓撲異構酶，細菌就無法生長。由于這些細菌酶是獨特的，針對它們的毒藥不會損害人類拓撲異構酶。

長期以來，II型拓撲異構酶通常被認為足以管理復制過程中出現(xiàn)的過度扭曲的超螺旋。雖然在大腸桿菌和其他高等生物中工作的研究人員已經確定了可以激活或抑制這些酶的其他蛋白質，但這些蛋白質都不需要復制。

這些發(fā)現(xiàn)暗示在其他生物體中可能發(fā)生類似的相互作用。為了了解特異性地壓縮Caulobacter DNA調節(jié)拓撲異構酶活性所涉及的蛋白質因子，研究人員篩選了它們的細菌，以尋找與超螺旋DNA緊密結合的蛋白質。從那里開始，他們用一種蛋白質GapR進行研磨，他們發(fā)現(xiàn)這種蛋白質對于DNA復制至關重要。在缺乏GapR的細菌中，DNA變得過度扭曲，復制減慢，細菌最終死亡。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)GapR識別出過度扭曲DNA的結構，而不是特定的核苷酸序列。

“絕大多數(shù)DNA結合蛋白通過識別一組特定的堿基定位于基因組的特定位置，”Laub說。“但是GapR基本上不關注實際的基礎序列 - 只是過度扭曲的DNA的形狀，它在復制叉和轉錄機制面前獨一無二。”

杜克公司的瑪麗亞舒馬赫解決了與DNA結合的蛋白質的晶體結構，發(fā)現(xiàn)GapR識別DNA的骨架(而不是堿基)，形成一個環(huán)繞過度扭曲的DNA的緊密夾鉗。然而，當DNA以其標準形式松弛時，它不再適合夾具內部。這可能意味著GapR僅在需要拓撲異構酶的位置上位于DNA上。

令人興奮的里程碑

雖然GapR似乎是DNA復制所必需的，但目前尚不清楚這種蛋白質如何促進拓撲異構酶功能以緩解超螺旋。

“在沒有任何其他蛋白質的情況下，GapR能夠幫助II型拓撲異構酶更快地去除陽性超螺旋，但我們仍然不知道如何，”郭說。“一個想法是GapR與拓撲異構酶相互作用，識別過度扭曲的DNA并招募拓撲異構酶。另一種可能性是GapR基本上抓住DNA并限制正超螺旋的運動，因此拓撲異構酶可以更快地靶向和消除它們。”

John Innes中心的生物化學教授Anthony Maxwell沒有參與這項研究，他說DNA超螺旋的積累是細菌復制和轉錄的關鍵問題。

“鑒定GapR及其在控制體內超螺旋中的潛在作用，是了解細菌DNA拓撲控制的一個令人興奮的里程碑，”他說。“將需要進一步的工作來展示這些蛋白質如何合作以維持細菌基因組的完整性。”

據(jù)郭說，這項研究提供了一個基本過程-DNA復制的洞察力 - 以及拓撲異構酶的調控方式，可以擴展到真核生物。

“這是首次證明拓撲異構酶激活劑是DNA復制所必需的，”她說。“盡管高等生物中沒有GapR同源物，但可能存在識別DNA形狀并輔助或定位拓撲異構酶的類似蛋白質。”

她說，這可能開辟一個新的藥物研究領域，目標是像GapR這樣的激活劑，以提高現(xiàn)有拓撲異構酶毒物治療呼吸道和泌尿道感染等疾病的效果。畢竟，許多拓撲異構酶抑制劑由于抗生素抗性而變得不那么有效。但只有時間會證明;為了解開DNA復制的復雜過程以及它的許多曲折，還有很多東西需要學習。