跳跃的DNA螺旋

生物通,2012-09-15

研究人员证实DNA超螺旋是能够远距离“跳跃”的动态结构，这一现象有可能影响了基因调控。

科学家们对于长链DNA如何包装到狭小空间中的理解变得更为复杂了一些。一项关于单分子DNA的新研究证实超螺旋可通过沿着一条DNA链“跳跃”来移动。研究结果发布在9月13日的《科学》（Science）杂志上，为研究人员提供了关于DNA组装的新认识，并指出了一条惊人快速的细胞内基因调控机制。

德累斯顿工业大学Ralf Seidel （从事沿着DNA分子马达蛋白运动研究，未参与新研究）说：“这是首个研究解析DNA超螺旋动态。这一超螺旋跳跃运动使得DNA链能够传递超螺旋，以一种非常快的方式将位点聚集到一起。”

DNA是一种双螺旋，呈自然扭曲。在体内，它与称作组蛋白的蛋白质包装在一起，帮助将数百万或数十亿的核苷酸凝聚到细胞核的小空间中。与沿着DNA链的蛋白质如转录因子的持续相互作用可影响双螺旋扭曲和DNA链的“缠绕”。这些超扭曲的螺旋就称为超螺旋，其形成不同于电话线的线圈。超螺旋将诸如调控元件和它们控制的基因等不同的DNA片段聚集到一起能够影响表达。

为了更好地了解超螺旋的行为，代尔夫特理工大学的Cees Dekker和同事们在单链DNA分子中诱导了超螺旋，用荧光染料进行了标记。DNA的一端锚定在一个玻璃毛细管的一侧，另一端连接到一个磁珠上。这使得研究人员能够利用小磁铁扭曲DNA诱导超螺旋，并用荧光显微镜观察了它们的运动。

出乎意料的是，研究小组发现超螺旋以两种方式其中的一种沿着DNA链移动。有时它们沿着DNA链慢慢扩散；其他时候，超螺旋会“跳跃”——突然从一个位点消失，同时出现在沿着DNA向下的一个遥远的位点。

宾夕法尼亚大学Prashant Purohit（从事DNA行为研究，但没有参与该研究）说：“相比超螺旋沿着DNA长度向下扩散，这要复杂得多。DNA并非局部行动，它显示出DNA链的缠绕是整体的，而非是局部数量的DNA链。“

Seidel谨慎地指出到目前为止这一有趣的现象只在裸DNA单链上观察到，因此目前还不清楚当DNA很好地包装并布满蛋白质时在体内超螺旋有可能是如何行动的。威斯康星大学麦迪逊分校威斯康星发现研究所Bryan Daniels说这样的行为有可能对于原核细胞中的DNA更为重要，相比于真核细胞原核细胞具有较少的包装DNA。

细胞的离子环境也有可能影响超螺旋行为。DNA更有可能凝聚在多价离子而非单价离子环境中。Dekker和他的同事们在试验中利用的是单价离子，他们发现离子浓度越低形成的超螺旋越多。

Dekker和他的研究小组现在正研究不同的DNA序列和DNA结合蛋白的存在影响超螺旋形成和运动的机制——这是理解体内超螺旋运动的第一步。

“在发现双螺旋60年后，这令人感到惊异，我们仍然在发现DNA的基本特性，”Dekker说。