美院士首次揭示DNA超螺旋的三维结构

最近,美国贝勒医学院的研究人员,使用一种多学科的方法,以前所未有的细节,揭示了超螺旋DNA的三维结构影像图,从而发现它的形状比著名的双螺旋更加动态。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》。

分子病毒学和微生物学系的Lynn Zechiedrich教授和美国科学院院士、生物化学和分子生物学系的Wah Chiu教授,是本文的共同通讯作者,Lynn Zechiedrich教授说:“我们都知道和喜欢的美丽双螺旋结构,并不是DNA的实际活动形式。”

Chiu和Zechiedrich,与贝勒医学院的Steven Ludtke和Michael Schmid博士、英国利兹大学的Sarah A. Harris博士合作,用化学、物理学、数学和计算机建模,研究微小的DNA微环(现在被称为“MiniVectors”,由该研究团队命名,并且已经商业化),它只包含336个碱基对。碱基对是遗传物质的构建模块。

Zechiedrich说:“以前的研究是针对线性DNA的短片段(6~12个碱基对),但是人类DNA在你的身体内不断地移动——它盘绕和解开。你不能盘绕线性的DNA并研究它,所以我们必须缠成线圈。”

人体内的每个细胞都拥有约一米长的DNA(比研究团队制备的微环长一千万倍)。在这项研究中,他们缠绕或解开包含他们圆圈的DNA双螺旋,使用非常强大的显微镜,观察缠绕如何改变这些微环的外观。

研究人员设计了一个测试,以确保他们在实验室里制造的微小卷绕DNA环是具有生物活性的。他们使用的是纯化的人拓扑异构酶IIα——一个重要的酶,操纵DNA并且是抗癌药物的重要靶点。

这种酶解除了所有超螺旋微环的缠绕应力——即使最缠绕的,这是它在人体内的正常工作。这个结果意味着,这些微环必须看上去、并且表现得像人类细胞中拓扑异构酶遇到的更长的DNA。

本文共同作者Daniel J. Catanese博士指出:“这些酶对线性DNA没有任何影响,因为它不是盘绕的。”

本文共同第一作者Rossitza N. Irobalieva博士,使用低温电子断层扫描术——一种强大的显微镜技术,包括冷冻生物活性材料,首次提供了单个DNA分子的三维结构。她看到,缠绕引起了许多不同的形状。Irobalieva说:“一些微环有急弯,一些是8字形,其他一些看起来像球拍或缝纫针。一些看起来像鱼竿,因为它们太卷绕了。”

本文另外一位共同第一作者、贝勒医学院的Jonathan Fogg博士指出:“能够观察到单个的DNA环,可以让我们了解生物活性DNA的不同结构。这些不同结构当中的每一个,都有利于DNA与蛋白质、其他DNA和RNA、以及抗癌药物的相互作用,从而适应必需的细胞过程。”

虽然研究人员希望看到,当DNA被解开时碱基对是开放的,但是他们惊讶地看到,卷得太紧的DNA发生了这种开放。他们推测,这种碱基对的破坏可能会导致灵活的铰链,从而使DNA急剧弯曲,也许有助于解释“一米的DNA如何可以被挤在一个小小的人类细胞中”。

Fogg说:“接下来,我们开始添加细胞的其他组件或抗癌药物,来看看DNA形状如何变化。”来自多个领域的一组研究人员将聚集在一起解决这个基本问题。

注:Wah Chiu是利用Cryo-EM进行生物大分子复合物高分辨结构研究的先驱,担任美国贝勒医学院生化与分子生物学、分子生理和生物物理学等多个系的教授,美国国家大分子成像中心、休斯顿地区计算生物学W.M.Keck中心主任,《Quarterly Reviews of Biophysics》、《Structure》等多本杂志编委,并担任多个国家不同机构的科学顾问。他应用现代电子显微镜原理,结合物理计算、数学推导等多个学科的原理和技术,对多种生物大分子三维结构进行研究,在《Cell》、《Nature》和《Science》等知名杂志发表论文300多篇。

Source – ebiotrade.com

Reference

Irobalieva RN, Fogg JM, Catanese DJ, Sutthibutpong T, Chen M, Barker AK, Ludtke SJ, Harris SA, Schmid MF, Chiu W, Zechiedrich L. (2015) Structural Diversity of supercoiled DNA. Nature Comm [Epub ahead of print]. [article]