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解開DNA複製

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2018/09/21
四個GapR亞基組裝成二聚體二聚體複合物,形成圍繞過扭DNA的鉗夾,其在DNA複製和轉錄過程中產生。 圖片來源:麻省理工學院

DNA是一種冗長的分子。比它所在的細胞長約1000倍,因此它不會隨意堵塞。相反地,它必須整齊地組織,以便參與關鍵過程的蛋白質可以訪問其核苷酸鹼基中包含的信息。可以想像雙螺旋就像一對扭結在一起的鞋帶,一次又一次盤繞,使分子更加緊湊。

然而,當細胞分裂時,這種超螺旋性質使得參與DNA複製的蛋白質難以接近鏈,將它們分開並複製它們,因此一個DNA分子可以變成兩個。

複製開始於染色體的特定區域,其中特殊的蛋白質將兩條鏈分開,像兩條鞋帶一樣拉開雙螺旋。然而,這種局部分離實際上進一步纏結了分子的其餘部分,並且在沒有干預的情況下產生了緊張的累積,停止了複製。進入稱為拓撲異構酶的酶,當它們被剝離時,它們在線束之前行進,剪斷它們、解開它們,然後重新連接它們以減輕由超螺旋引起的張力。

通常認為這些拓撲異構酶足以允許複製進行。然而,來自麻省理工學院和杜克大學醫學院的一組研究人員表示,酶可能需要額外蛋白質的指導,這些蛋白質識別過度扭曲DNA的形狀特徵。

麻省理工學院生物學教授、霍華德休斯醫學研究所研究員,同時也是高級作者Michael Laub說:「很長一段時間我們都知道拓撲異構酶是複製所必需的,但是它們自身是否足夠已經不為人所知了。 這是第一篇鑑定細菌或真核生物中蛋白質的論文,它需要在複製叉之前定位拓撲異構酶。」

Postdoc Monica Guo '07和前研究生Diane Haakonsen博士'16是這項研究的共同第一作者,該研究於913日在Cell雜誌上發表。

儘管拓撲異構酶對DNA複製至關重要,但現在已經很清楚,我們對調節其活性的機制知之甚少,包括它們在何時何地採取行動以緩解超螺旋。

這些酶分為兩類,I型和II型,取決於它們切割的DNA鏈數。研究人員專注於在常見的淡水細菌Caulobacter crescentus中發現的II型拓撲異構酶。細菌中的II型拓撲異構酶是特別令人感興趣的,因為許多抗生素靶向它們以防止DNA複製,治療多種微生物感染,包括結核病。沒有拓撲異構酶,細菌就無法生長。由於這些細菌酶是獨特的,針對它們的毒藥不會損害人類拓撲異構酶。

長期以來,II型拓撲異構酶通常被認為足以管理複製過程中出現的過度扭曲的超螺旋。儘管在大腸桿菌和其他高等生物中工作的研究人員,已經確定了可以激活或抑制這些酶的其他蛋白質,但這些蛋白質都不需要複製。

這些發現暗示在其他生物體中可能發生類似的相互作用。為了理解壓縮Caulobacter DNA所涉及的蛋白質因子 特異性地調節拓撲異構酶活性,研究人員篩選了他們的細菌中與超螺旋DNA緊密結合的蛋白質。從那裡,他們用一種蛋白質GapR進行研磨,他們發現這種蛋白質對於DNA複製至關重要。在缺乏GapR的細菌中,DNA變得過度扭曲,複製減慢,細菌最終死亡。

令人驚訝的是,研究人員發現GapR識別出過度扭曲DNA的結構,而不是特定的核苷酸序列。

「絕大多數DNA結合蛋白透過識別一組特定的鹼基定位於基因組的特定位置,」Laub說。 「但GapR基本上不關注實際的基礎序列,只是過度扭曲的DNA的形狀,它獨特地出現在複製叉和轉錄機器的前面。」

杜克公司的瑪麗亞舒馬赫解決了與DNA結合的蛋白質的晶體結構,發現GapR識別DNA的骨架(而不是鹼基),形成一個環繞過度扭曲DNA的緊密夾鉗。然而,當DNA以其標準形式鬆弛時,它不再適合夾具內部。這可能意味著GapR僅在需要拓撲異構酶的位置上位於DNA上。

雖然GapR似乎是DNA複製所必需的,但目前尚不清楚這種蛋白質如何促進拓撲異構酶功能,以緩解超螺旋。

「在沒有任何其他蛋白質的情況下,GapR能夠幫助II型拓撲異構酶更快地去除正向超螺旋,但我們仍然不知道如何,」研究人員表示。 「一個想法是GapR與拓撲異構酶相互作用,識別過度扭曲的DNA並招募拓撲異構酶。另一種可能性是GapR基本上抓住DNA,並限制正超螺旋的運動,因此拓撲異構酶可以更快地靶向並消除它們。」

John Innes中心的生物化學教授Anthony Maxwell沒有參與這項研究,他說DNA超螺旋的積累是細菌複製和轉錄的關鍵問題。

「鑑定GapR及其在控制體內超螺旋中的潛在作用,是了解細菌DNA拓撲控制的一個令人興奮的里程碑,」他說。 「將需要進一步的工作來展示這些蛋白質如何合作,以維持細菌基因組的完整性。」

根據研究人員的說法,這項研究提供了一個基本過程─DNA複製─以及拓撲異構酶受調控方式的洞察力,可以擴展到真核生物。

「這是第一次證明拓撲異構酶激活劑是DNA複製所必需的。 儘管高等生物中沒有GapR同源物,但可能存在識別DNA形狀並輔助或定位拓撲異構酶的類似蛋白質。」

她說,這可能開闢一個新的藥物研究領域,目標是像GapR這樣的活化劑,以增加現有拓撲異構酶毒物,治療呼吸道和泌尿道感染等疾病的功效。畢竟,許多拓撲異構酶抑製劑由於抗生素抗性而變得不那麼有效。

該研究由NIH撥款,HHMI國際預科獎學金和Jane Coffin Childs紀念獎學金資助。