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**實(shí)時(shí)觀察到凝縮蛋白擠壓DNA形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)2018-02-26 10:14來源:生物谷
引人注目的是,活的細(xì)胞當(dāng)準(zhǔn)備分裂時(shí),能夠?qū)⒁欢央s亂的長(zhǎng)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(duì)這個(gè)過程是如何發(fā)生的感到困惑。如今,在一項(xiàng)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(guó)海德堡的歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMBL)的研究人員分離出這個(gè)過程,拍攝它的影像,并且實(shí)時(shí)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(zhǎng)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(gè)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(gè)領(lǐng)域中的一項(xiàng)激烈的辯論,這是因?yàn)樗罱K解答了生物學(xué)中討論了一個(gè)多世紀(jì)的問題:在產(chǎn)生兩個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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(shí)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(gè)難題增加了一項(xiàng)重要的新內(nèi)容,但正如英國(guó)牛津大學(xué)的Kim Nasmyth在同期Science上發(fā)表的一篇觀點(diǎn)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(shí)了這一點(diǎn),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(diǎn)已被證實(shí)。代爾夫特大學(xué)卡夫利研究所的Cees Dekker團(tuán)隊(duì)與位于德國(guó)海德堡的歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Christian Haering團(tuán)隊(duì)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(shí)的影像。Haering團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室博士后研究員Mahipal Ganji說,“我們僅是通過拍攝影像來證實(shí)這一點(diǎn)。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,**步是將DNA分子的兩個(gè)末端固定在一個(gè)表面上,并對(duì)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(dòng),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(gè)凝縮蛋白結(jié)合上去,并擠壓出一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。”
Dekker補(bǔ)充道,“這解決了這項(xiàng)爭(zhēng)論。這些數(shù)據(jù)提供了令人信服的證據(jù)來證實(shí)凝縮蛋白會(huì)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(cè)量各種類型的定量數(shù)據(jù):環(huán)擠壓的對(duì)稱性、環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成速度和當(dāng)拉動(dòng)DNA時(shí)會(huì)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(gè)堿基對(duì)。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(huì)逐個(gè)堿基地沿著DNA進(jìn)行移動(dòng),而是大跨步地拉著它。當(dāng)輕微地拉動(dòng)DNA時(shí),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?cái)D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(duì)稱的:“我們觀察到凝縮蛋白停靠在DNA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(bǔ)充道,“迄今為止,這是另一項(xiàng)有趣的發(fā)現(xiàn)。”
這項(xiàng)研究代表著對(duì)DNA的基本理解的重要一步,而且也對(duì)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(cuò)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(gè)過程發(fā)生錯(cuò)誤能夠?qū)е掳┌Y。更好地理解這些過程對(duì)追蹤嚴(yán)重疾病的分子起源是至關(guān)重要的。 |