科學(xué)家揭開DNA復(fù)制背后的神秘面紗

生命分子扭曲了。但是，DNA的雙螺旋中那些熟悉的鏈如何成功地復(fù)制而不會被纏結(jié)，卻很難被破譯?？的螤柎髮W(xué)物理學(xué)家的新觀點正在幫助揭開這個謎團。

研究人員從拓撲學(xué)角度解決了這個問題，詢問螺旋形狀本身對DNA復(fù)制有何影響。他們使用構(gòu)成絕大多數(shù)生物的真核生物作為模型系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)(DNA和蛋白質(zhì)的復(fù)合物)的內(nèi)在機械性能決定了染色質(zhì)纖維如何纏繞。

這種拓撲結(jié)構(gòu)對于成功分離新復(fù)制的DNA至關(guān)重要：如果纖維扭曲得太緊太早，則在細胞分裂過程中分子將無法正確分離。

文理學(xué)院首席教授，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員霍華德·休斯說：“這項研究突出了物理原理在基本生物學(xué)過程中的重要性。”

論文“染色質(zhì)扭轉(zhuǎn)力學(xué)與拓撲異構(gòu)酶活性的協(xié)同作用”于10月17日在Cell中發(fā)表。

在DNA復(fù)制過程中(復(fù)制體分裂兩條DNA鏈并向前移動)，DNA也必須繞螺旋軸扭曲。這會使DNA承受很大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，從而導(dǎo)致DNA發(fā)生額外的扭曲。

問題：額外的扭曲在哪里?如果額外的扭曲僅發(fā)生在復(fù)制體的前面，那么兩個子DNA分子將不會糾纏在一起，因此它們可以分開。但是，如果多余的扭曲轉(zhuǎn)移到復(fù)制體的背面，則兩個子DNA分子將糾纏在一起，無法分開。這將為細胞分裂過程中的染色體分離創(chuàng)造一個主要問題，這可能導(dǎo)致DNA損傷并導(dǎo)致細胞死亡或癌癥。

研究人員發(fā)現(xiàn)，加捻單條染色質(zhì)纖維比加捻雙條纖維要容易得多。這意味著多余的扭曲將優(yōu)先到達前面，從而最小化兩個子DNA分子的纏繞。

Wang說：“盡管染色質(zhì)通常被認為是復(fù)制的障礙，但我們的結(jié)果表明，染色質(zhì)還簡化了復(fù)制拓撲結(jié)構(gòu)，從而促進了復(fù)制動態(tài)。我們認為這是非常了不起的。”

在一個單獨的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種能解開DNA的酶(拓撲異構(gòu)酶II)強烈偏愛正面的單個染色質(zhì)纖維。染色質(zhì)力學(xué)和拓撲異構(gòu)酶活性似乎以協(xié)同方式協(xié)調(diào)，以減少子鏈的纏繞。

為了了解染色質(zhì)的機械行為，研究人員不得不創(chuàng)造新的處理方式。由于任務(wù)的復(fù)雜性，以前尚未嘗試創(chuàng)建編織染色質(zhì)纖維的基底。Wang和她的團隊使用了她的小組先前開發(fā)的角向光阱工具，以及其他方法來創(chuàng)建和處理染色質(zhì)纖維的單層和編織層，從而使他們能夠檢查其扭轉(zhuǎn)機械性能。