美院士首次揭示DNA超螺旋的三維結構

　　最近，美國貝勒醫學院的研究人員，使用一種多學科的方法，以前所未有的細節，揭示了超螺旋DNA的三維結構影像圖，從而發現它的形狀比著名的雙螺旋更加動態。相關研究結果發表在最近的《Nature Communications》。

　　分子病毒學和微生物學系的Lynn Zechiedrich教授和美國科學院院士、生物化學和分子生物學系的Wah Chiu教授，是本文的共同通訊作者，Lynn Zechiedrich教授說：“我們都知道和喜歡的美麗雙螺旋結構，并不是DNA的實際活動形式。”

　　Chiu和Zechiedrich，與貝勒醫學院的Steven Ludtke和Michael Schmid博士、英國利茲大學的Sarah A. Harris博士合作，用化學、物理學、數學和計算機建模，研究微小的DNA微環（現在被稱為“MiniVectors”，由該研究團隊命名，并且已經商 業化），它只包含336個堿基對。堿基對是遺傳物質的構建模塊。

　　Zechiedrich說：“以前的研究是針對線性DNA的短片段（6～12個堿基對），但是人類DNA在你的身體內不斷地移動——它盤繞和解開。你不能盤繞線性的DNA并研究它，所以我們必須纏成線圈。”

　　人體內的每個細胞都擁有約一米長的DNA（比研究團隊制備的微環長一千萬倍）。在這項研究中，他們纏繞或解開包含他們圓圈的DNA雙螺旋，使用非常強大的顯微鏡，觀察纏繞如何改變這些微環的外觀。

　　研究人員設計了一個測試，以確保他們在實驗室里制造的微小卷繞DNA環是具有生物活性的。他們使用的是純化的人拓撲異構酶IIα——一個重要的酶，操縱DNA并且是抗癌藥物的重要靶點。

　　這種酶解除了所有超螺旋微環的纏繞應力——即使最纏繞的，這是它在人體內的正常工作。這個結果意味著，這些微環必須看上去、并且表現得像人類細胞中拓撲異構酶遇到的更長的DNA。

　　本文共同作者Daniel J. Catanese博士指出：“這些酶對線性DNA沒有任何影響，因為它不是盤繞的。”

　　本文共同第一作者Rossitza N. Irobalieva博士，使用低溫電子斷層掃描術——一種強大的顯微鏡技術，包括冷凍生物活性材料，首次提供了單個DNA分子的三維結構。她看到，纏繞引起了許多不同的形狀。Irobalieva說：“一些微環有急彎，一些是8字形，其他一些看起來像球拍或縫紉針。一些看起來像魚竿，因為它們太卷繞了。”

　　本文另外一位共同第一作者、貝勒醫學院的Jonathan Fogg博士指出：“能夠觀察到單個的DNA環，可以讓我們了解生物活性DNA的不同結構。這些不同結構當中的每一個，都有利于DNA與蛋白質、其他 DNA和RNA、以及抗癌藥物的相互作用，從而適應必需的細胞過程。”

　　雖然研究人員希望看到，當DNA被解開時堿基對是開放的，但是他們驚訝地看到，卷得太緊的DNA發生了這種開放。他們推測，這種堿基對的破壞可能會導致靈活的鉸鏈，從而使DNA急劇彎曲，也許有助于解釋“一米的DNA如何可以被擠在一個小小的人類細胞中”。

　　Fogg說：“接下來，我們開始添加細胞的其他組件或抗癌藥物，來看看DNA形狀如何變化。”來自多個領域的一組研究人員將聚集在一起解決這個基本問題。