首次实时观察到凝缩蛋白挤压DNA形成环状结构

引人注目的是，活的细胞当准备分裂时，能够将一堆杂乱的长达两米的DNA包装成整齐的微小染色体。然而，科学家们几十年来一直对这个过程是如何发生的感到困惑。如今，在一项新的研究中，来自荷兰代尔夫特理工大学卡夫利研究所和位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室（EMBL）的研究人员分离出这个过程，拍摄它的影像，并且实时观察一种被称作凝缩蛋白（condensin）的蛋白复合物如何缠绕DNA从而挤压出环状结构（loop）。通过在DNA长链中挤压出许多这样的环状结构，细胞高效地压缩它的基因组，因此细胞中的基因组能够均匀分布到它的两个子细胞中。相关研究结果于2018年2月22日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin”。

这一发现解决了这个领域中的一项激烈的辩论，这是因为它最终解答了生物学中讨论了一个多世纪的问题：在产生两个子细胞之前，细胞中的DNA就好比是意大利面条---DNA链混杂地掺合在一起。细胞需要组装染色体中的这些混杂物，从而能够将它的DNA整齐地分配到两个子细胞中。多年来，人们已明确作为一种蛋白复合物，凝缩蛋白起着关键的作用，但是在此之前，生物学家们对凝缩蛋白是如何发挥作用的存在着分歧。有一种理论认为，凝缩蛋白的作用就像一个钩子，能够抓住这种DNA混杂物中的DNA并将它连接在一起。另一种理论认为环形的凝缩蛋白将DNA向内拉，从而让它形成环状结构。

去年11月，在发表在Science期刊上的一篇封面论文中，来自代尔夫特理工大学等研究机构的科学家们证实凝缩蛋白具有挤压出这种环状结构所需的马达功能（Science， doi：10.1126/science.aan6516）。这为这个难题增加了一项重要的新内容，但正如英国牛津大学的Kim Nasmyth在同期Science上发表的一篇观点类型论文（Science， doi：10.1126/science.aap8729）中指出的那样，“凝缩蛋白是一种DNA转位酶（DNA translocase）的发现当然与它作为一种环挤压器（loop extruder）发挥功能的想法相一致，但这绝不意味着它证实了这一点，所面临的挑战仍然是观察挤压和转位，以便确定它是单体还是多聚体复合物的性质，并阐明它的分子机制。”

如今，这一点已被证实。代尔夫特大学卡夫利研究所的Cees Dekker团队与位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室的Christian Haering团队一起拍摄出这种凝缩蛋白复合物发挥作用---它挤压出DNA环状结构---时的影像。Haering团队开发出这种蛋白复合物的纯化方法和荧光标记方法。

代尔夫特大学卡夫利研究所Dekker 实验室博士后研究员Mahipal Ganji说，“我们仅是通过拍摄影像来证实这一点。DNA是如此杂乱的一种混杂物以至于很难在细胞中分离出这一过程并加以研究。在我们的研究中，#$步是将DNA分子的两个末端固定在一个表面上，并对DNA和凝缩蛋白进行彩色染料标记。然后通过在与这种DNA分子相垂直的方向上加入液体并让其流动，我们让这种DNA呈现出U形，并将它放置在我们的显微镜的焦平面上。令人吃惊的是，我们随后能够观察到单个凝缩蛋白结合上去，并挤压出一个环状结构。”

Dekker补充道，“这解决了这项争论。这些数据提供了令人信服的证据来证实凝缩蛋白会缠绕DNA，从而形成环状结构。我们的新型成像方法也允许测量各种类型的定量数据：环挤压的对称性、环状结构的形成速度和当拉动DNA时会发生什么。”

这些研究人员发现这种环状结构形成速度是非常高的：凝缩蛋白每秒钟能够缠绕DNA中的高达1500个碱基对。而且它这样做仅消耗适量的细胞燃料ATP，这表明凝缩蛋白并不会逐个碱基地沿着DNA进行移动，而是大跨步地拉着它。当轻微地拉动DNA时，这种环状结构形成过程便减慢下来。显然，在拉力存在下，凝缩蛋白似乎更努力地挤压DNA，从而产生环状结构。出乎意料的是，这种环挤压是不对称的：“我们观察到凝缩蛋白停靠在DNA上，并将它自己锚定在那里，随后它开始仅从一侧缠绕DNA。”Dekker补充道，“迄今为止，这是另一项有趣的发现。”

这项研究代表着对DNA的基本理解的重要一步，而且也对医学产生重要的影响。凝缩蛋白所属的SMC蛋白质家族出现差错与德朗热综合征（Cornelia de Lange Syndrome）等遗传性疾病存在关联。凝缩蛋白在细胞分裂期间的染色体组装中也发挥着至关重要的作用，而这个过程发生错误能够导致癌症。更好地理解这些过程对追踪严重疾病的分子起源是至关重要的。