破解DNA复制之谜!美科学家鉴定出蛋白GapR识别过度扭曲的DNA结构

2018-09-25 绿谷生物 Cell
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DNA是一种冗长的分子,比它所在的细胞长大约1000倍,因此不能随意地将它塞到细胞中去。相反,它必须整齐地加以组装,这样参与关键过程的蛋白就能够访问DNA中的碱基包含的信息。可以将双螺旋DNA想象成一对缠绕在一起的鞋带,一次又一次自我缠绕着,从而让它变得更加紧凑。

然而,当涉及细胞分裂时,这种超螺旋性质使得参与DNA复制的蛋白难以接近两条DNA链,将它们分开并复制它们,这样就可将一个DNA分子变成两个DNA分子。

DNA复制开始于染色体的特定区域,在那里,特殊的蛋白将两条DNA链分开,就像解开两条鞋带一样拉开DNA双螺旋。然而,这种局部分离实际上会进一步让DNA分子的其余部分缠结在一起,并且在没有干预的情况下导致张力的积累,从而停止DNA复制。这时被称为拓扑异构酶(topoisomerase)的酶进来了,当两条DNA链被分离开时,这些拓扑异构酶在这两条DNA链的前面移动,切断它们,解开它们,随后重新将它们连接在一起从而缓解由DNA超螺旋引起的张力。

人们通常认为这些拓扑异构酶足以允许DNA复制进行。然而,在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院和杜克大学医学院的研究人员指出这些拓扑异构酶可能需要额外蛋白的指导,这些额外的蛋白识别过度扭曲的DNA的特征性形状。相关研究结果于2018年9月13日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“A Bacterial Chromosome Structuring Protein Binds Overtwisted DNA to Stimulate Type II Topoisomerases and Enable DNA Replication”。论文通信作者为麻省理工学院的Michael T. Laub和杜克大学医学院的Maria A. Schumacher。论文第一作者为麻省理工学院的Monica S. Guo和Diane L. Haakonsen。

图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.08.029。
 

Laub说,“长期以来我们就已知道拓扑异构酶是DNA复制所必需的,但是并不清楚的是,它们自身是否就已足够了。这是第一篇论文鉴定出细菌或真核生物中的一种蛋白是将拓扑异构酶定位在复制叉之前并帮助它们做它们在那里需要做的事情所必需的。”

必需但并不是足够的

尽管众所周知拓扑异构酶对DNA复制是至关重要的,但是如今越来越清楚的是,我们对调节它们的活性的机制知之甚少,包括它们在何时何地采取行动来缓解由DNA超螺旋引起的压力。

依据于拓扑异构酶切割的DNA链数量,它们可分为两类:I型拓扑异构酶和II型拓扑异构酶。这些研究人员着重关注在一种常见的淡水细菌---新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)---中发现的II型拓扑异构酶。细菌中的II型拓扑异构酶是特别令人感兴趣的,这是因为许多抗生素靶向它们来阻止DNA复制,从而可以治疗多种微生物感染,包括结核病。在没有拓扑异构酶的情形下,细菌就无法生长。鉴于这些细菌拓扑异构酶是独特的,针对它们的药物不会破坏人类拓扑异构酶。

长期以来,II型拓扑异构酶通常被认为凭自己的力量就足以控制复制过程中出现的过度扭曲的DNA超螺旋。尽管研究大肠杆菌和其他高等生物的科学家们已确定了能够激活或抑制这些酶的其他蛋白,但这些蛋白都并不是DNA复制所必需的。

这些发现提示着在其他生物中可能发生着类似的相互作用。为了了解特异性地参与压缩新月柄杆菌DNA------特异性地调节拓扑异构酶活性---的蛋白因子,这些研究人员筛选了这种细菌中与超螺旋DNA紧密结合在一起的蛋白。他们重点分析了一种被称作GapR的蛋白,这是因为他们发现这种蛋白对DNA复制是至关重要的。在缺乏GapR的细菌中,DNA变得过度扭曲,复制缓慢,因而细菌最终死亡。

令人吃惊的是,这些研究人员发现GapR识别过度扭曲的DNA结构,而不是特定的核苷酸序列。

Laub说,“绝大多数DNA结合蛋白通过识别一组特定的碱基而结合到基因组的特定位置上。 但是GapR基本上并不关注实际的碱基序列,它仅识别过度扭曲的独特地出现在复制叉和转录机器(transcription machinery, 即转录复合物,用于对DNA进行转录)前面的DNA的形状。”

蛋白GapR与DNA结合在一起时的晶体结构由Schumacher解析出来,它揭示出GapR识别DNA的骨架(而不是它的碱基),从而形成一种包围着过度扭曲的DNA的紧密夹钳(snug clamp)。然而,当DNA处于松弛状态下时,它不再适合位于这种紧密夹钳的内部。这可能意味着GapR仅位于DNA中需要拓扑异构酶的位置上。

一个激动人心的里程碑

虽然GapR似乎是DNA复制所必需的,但是目前尚不清楚这种蛋白如何促进拓扑异构酶发挥功能来缓解由DNA超螺旋引起的张力。

Guo说,“在没有任何其他蛋白存在的情况下,GapR能够帮助II型拓扑异构酶更快地移除正向超螺旋,但我们仍然不知道这是如何实现的。一种观点是GapR与拓扑异构酶相互作用,识别过度扭曲的DNA并招募这些拓扑异构酶。另一种可能性就是GapR实际上抓住DNA并限制正向超螺旋的运动,这样拓扑异构酶就能够更快地靶向并消除它们。” 

这是首次证实诸如GapR之类的拓扑异构酶激活剂是DNA复制所必需的。尽管在高等生物中不存在GapR同源物,但是可能存在类似的蛋白来识别DNA的形状和协助和定位拓扑异构酶。

参考资料:

Monica S. Guo, Diane L. Haakonsen, Wenjie Zeng et al. A Bacterial Chromosome Structuring Protein Binds Overtwisted DNA to Stimulate Type II Topoisomerases and Enable DNA Replication. Cell, Published Online: 13 September 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.08.029.