单分子操纵技术在体外观测DNA复制如何应对损伤

科学网, 2012-12-15

导读:西班牙巴塞罗那大学的研究人员利用一些单分子操纵技术在体外重现了其中的一个过程。相比于传统的生化技术研究大量的分子，该单分子操纵技术能够在单分子水平上实时研究单个蛋白的作用机制。相关研究发表在《科学》（Science）杂志上。

由于DNA长链常常出现单个碱基的缺失或是损伤，因此DNA损伤相当常见，每天每个细胞大约有100万个分子损害。这些损伤可以造成DNA复制过程停滞，从而导致细胞死亡。为了避免它，细胞利用几个信号通路来绕过损伤继续DNA复制过程。近日来自西班牙巴塞罗那大学的研究人员利用一些单分子操纵技术在体外重现了其中的一个过程。相关研究发表在《科学》（Science）杂志上。

“早在上世纪70年代人们就提出了这一信号通路，现在通过操纵单分子我们在噬菌体上证实了它。相比于传统的生化技术研究大量的分子，我们的单分子操纵技术能够在单分子水平上实时研究单个蛋白的作用机制，”巴塞罗那大学基础物理学系教授Maria Mañosas说。

为了研究单个分子，研究人员采用了磁性镊子。这一技术是将一段DNA发夹连接在玻璃表面与一个磁珠之间。当磁体系统产生磁场时，可操纵磁珠产生磁场力。这一系统是通过检测磁珠来衡量DNA链延伸改变。Mañosas说：“通过分子的延伸变化可以推断出DNA上的蛋白质活动。因为发生这些改变是蛋白质在起作用。”

在DNA复制过程中，两条DNA模板链分开合成互补链。新的互补链再分别与一条初始链联结，从而获得两个与初始DNA分子相同的拷贝。在这一过程中，一个称为聚合酶的酶家族参与完成所有形式的DNA复制。当新生DNA链中的任何一条，尤其是前导链（leading strand）存在损伤时，聚合酶会停止合成碱基，由此导致复制过程停滞。Mañosas说：“这一过程停滞可引起细胞生长出现某些问题。当这一复制机制（复制体）遭受解离时，本研究中分析的旁路过程就会启动。”

研究初始研究人员将焦点放在一种解链酶蛋白(UvsW)上。UvsW能够促进DNA链结合（这一现象就称之为DNA杂交），还能够以未受损的复制链作为模板构建一种称为“霍利迪连结体”（Holliday junction）的中间结构，与聚合酶一起作用，推动系统回到出发点，一旦“跳过”损伤，随后就可以重启DNA重复制过程。因此当一条链受损时，可利用另一条完整链作为备份恢复丢失的信息；这一过程就称之为“模板转换策略”。“在本研究中，我们观测了这一信号通路的调控机制，以及解链酶UvsW的退火速度，最快为每秒1500个碱基，” Mañosas说。

DNA修复对大量疾病至关重要。深入了解这些现象将使我们能够着手研究某些在人类中具有相似功能的蛋白。Mañosas正在这一方向上展开研究，着重解析一种称作HARP的人类蛋白以了解其作用机制。众所周知，HARP在基因组保守性中起非常重要的作用，它的功能障碍与某些类型的癌症相关。

论文链接：Direct Observation of Stalled Fork Restart via Fork Regression in the T4 Replication System