Cell:研究发现病毒DNA与衣壳蛋白组装的分子马达机制
美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室最新研究解释一种类型的分子发动机用于组装一些病毒的DNA，包括疱疹和腺病毒。它们的研究发现有助于更有效药物的发展，并激发新型改进的人造生物发动机的设计。文章发表在《Cell》杂志上。
病毒是生物界之谜，尽管它们有自己的DNA并能适应环境和进化，但它们不被认为是活着的像细胞一样。为了复制和扩增，“生存”的一个必要条件，病毒必须侵入活细胞，释放它的DNA到这个细胞中，征用细胞的生物机制。
虽然病毒实质上可能除了一团DNA填充到一种称为衣壳的蛋白保护层以外其他什么都没有，然而DNA的组装是至关重要的。分子发动机驱动这种DNA组装过程，然而，就像病毒自身一样仍然是个谜。对这种发动机的较好理解对抗击病毒感染是非常重要的。
研究分子发动机是卡洛斯·布斯塔曼特的标志性工作，他是拥有与劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学(UC)伯克利分校，以及霍华德·休斯医学研究所(HHMI)和伯克利分校科维理能源纳米科学研究所联合任命的生物物理学家。在他的最新研究中，他与合作的团队进一步揭示一种分子发动机类型，用于组装一些病毒的DNA，包括如人疱疹病原体和腺病毒。他们的发现也首次通过试验证明了一些30年前的想法。
“在一项Ф29病毒的DNA组装动力研究中，我们第一次证明发动机不只给DNA提供动力，而且施加转矩力使其转动，”布斯塔曼特说。“我们进一步揭示这种旋转对于发动机协调其所有亚基的活性是必需的在其机械化学循环期间。我们还发现当衣壳填充DNA时，发动机改编其运算有效地减速，并且它自己准备终止组装。”
20世纪70年代，科学家们提出DNA在病毒衣壳内组成一种线轴，也许需要其使相关的衣壳旋转。也有人认为DNA也许需要使相关的组装发动机旋转为了维持重要的静电往来。然而，直到现在科学家缺乏试验工具来证明或反驳这些观点。
伯克利实验室的物理生物科学部的教授科学家与加州大学伯克利分校雷蒙德和贝弗利赛克勒生物物理学主席布斯塔曼特一直是利用国学镊子和显微颗粒研究单分子和分子发动机的开拓者。在这一最新成果中，他与他的合作者修改了他们标准的两珠光学镊子的组装试验，通过引入第三个“转子珠”，使得他们能监控围绕其轴线的DNA各个角度的变化，同时观察DNA移位到病毒衣壳中。
“我们能够在其生物任务的不同阶段实时跟踪病毒组装发动机，并发现这种复杂特殊方式发动机机制被修改以适应外部信号，”布斯塔曼特说。“我们揭示通过仔细设计对照实验，可能了解主要处理关于微妙的分子机制潜在地不同分子发动机元件的协调”
本研究的实验对象Phi29病毒是枯草芽孢杆菌的一种噬菌体，是在土壤和人肠道中发现的一种细菌。它的DNA组装发动机复合体包括三个同轴环通过DNA螺旋进入衣壳。发动机复合体的反应核心是一个环形的ATPase，包含5个亚基。Phi29组装ATPase被认为是一种环形分子马达模型，通常存在于活细胞中并依赖它们亚基的协调作用来完成重要的生物学功能。
原文摘要：
Shixin Liu15, Gheorghe Chistol1115, Craig L. Hetherington1215, Sara Tafoya, K. Aathavan13, Joerg Schnitzbauer14, Shelley Grimes,Paul J. Jardine, Carlos Bustamante
Multimeric, ring-shaped molecular motors rely on the coordinated action of their subunits to perform crucial biological functions. During these tasks, motors often change their operation in response to regulatory signals. Here, we investigate a viral packaging machine as it fills the capsid with DNA and encounters increasing internal pressure. We find that the motor rotates the DNA during packaging and that the rotation per base pair increases with filling. This change accompanies a reduction in the motor’s step size. We propose that these adjustments preserve motor coordination by allowing one subunit to make periodic, specific, and regulatory contacts with the DNA. At high filling, we also observe the downregulation of the ATP-binding rate and the emergence of long-lived pauses, suggesting a throttling-down mechanism employed by the motor near the completion of packaging. This study illustrates how a biological motor adjusts its operation in response to changing conditions, while remaining highly coordinated.
作者：Snail
