Science：重磅！首次證實凝縮蛋白具有馬達功能

　　生物學的眾多奧秘之一是：細胞如何巧妙地分配它復制的DNA到兩個子細胞中？一個多世紀以來，我們已知道細胞中的DNA就好比一盤意大利面條：雜亂地混合在一起的面條。當細胞分裂時，它們必須將兩米長的DNA包裝成整潔的小包裹---染色體。這種包裝是由凝縮蛋白（condensin）誘導的，但是科學家們對它的真實作用機制產生分歧。一種觀點是這種蛋白像鉤子那樣發揮作用，隨機地抓住雜亂的DNA的某個地方，隨后將這些DNA系在一起。另一種觀點是這種環形的蛋白將DNA往內擠壓，產生一種環。

　　 在一項新的研究中，來自德國、美國和荷蘭的研究人員大為支持這種環擠壓（loop-extrusion）觀點，證實凝縮蛋白確實具有產生這種動態變化所需的馬達功能。相關研究結果于2017年9月7日在線發表在Science期刊上，論文標題為“The condensin complex is a mechanochemical motor that translocates along DNA”。

　　 早在1882年，當時知名的生物學家Walter Flemming記錄了DNA濃縮過程。通過在顯微鏡下觀察，他看到細胞如何巧妙地組裝成束的DNA，隨后將它們分布到兩個新的子細胞中。然而，100多年來，這個過程的精確細節一直是個謎。

　　 論文共同作者、荷蘭代爾夫特理工大學卡弗里研究所研究部主任Cees Dekker解釋道，“在細胞生物學領域，針對這個問題存在不同的觀點。近年來，凝縮蛋白擠壓成環的觀點勝出，獲得計算機模擬的支持。這種觀點是環形的凝縮蛋白抓住DNA，以一種環狀的方式擠壓DNA通過它的環狀結構。僅當這種蛋白具有馬達活性時，這才是有可能實現的。這種環擠壓觀點存在的一個問題是迄今為止，這種類型的馬達功能未被檢測到。此外，擠壓DNA環通過凝縮蛋白的環狀結構需要太多的能量，遠多于我們針對凝縮蛋白觀察到的能量消耗。”

　　馬達功能

　　 在這項新的研究中，這些研究人員首次證實凝縮蛋白確實具有馬達功能。他們把在一個表面上伸展的DNA放置在適當的位置上，加入凝縮蛋白，每個凝縮蛋白攜帶著發光的量子點便于觀察。論文共同第一作者Jorine Eeftens解釋道，“我們觀察到凝縮蛋白如何沿著DNA移動。這僅當ATP分子存在時才會發生。這些結果也表明凝縮蛋白在DNA表面上邁出非常大的步伐，因而需要比之前認為的顯著更少的ATP。”

　　接著，這些研究人員利用發光的DNA鏈替換凝縮蛋白上的這些發光的量子點。他們再次觀察到凝縮蛋白以同樣的方式移動。因此，凝縮蛋白能夠讓一段DNA相對于另一段DNA移動，這就與DNA環形成相對應。

　　Dekker說，“這種確切的作用機制仍有討論的余地。不過，這一發現當然會極大地支持這種環擠壓觀點。我們還證實所需的能量比之前認為的少很多。”

　　這項研究代表著對細胞的基礎理解取得重大的進展，不過它對醫學研究也產生重大的影響。凝縮蛋白所在的蛋白家族，即SMC蛋白，存在的故障與德朗熱綜合征等遺傳病相關聯。在細胞分裂期間，凝縮蛋白也在染色體組裝中發揮著關鍵性的作用，這個過程發生差錯可導致癌癥。更好地理解這些過程對追蹤嚴重疾病的分子起源是至關重要的。