在本研究的計算模型中，使用初始的環狀複合物（右）或對分離的蛋白質施加扭矩（左）都能進行捲曲螺旋的編織。蛋白質用藍色和紅色表示。
圖示捲曲螺旋與DNA的相互作用。捲曲螺旋不僅僅是被動的參與者，它還具有與DNA匹配的電荷模式，當螺旋受到外力扭曲時，DNA就會發生彎曲。萊斯大學的研究人員認為，這似乎是DNA摺疊過程的起點。內聚蛋白複合物及其帶電模式分別用灰色和藍色表示，DNA用紅色表示。
蛇形圖案經常被用來象徵醫學，事實證明，這並非無稽之談，它們還能模擬生命本身的鑰匙。
近日，來自美國萊斯大學理論生物物理中心（CTBP）的科學家們正在深入研究幫助DNA在染色體中摺疊的基本蛋白質的動力學。結果發現，染色體結構維護（SMC）蛋白的「捲曲螺旋」也會彼此纏繞，像蛇一樣扭動，在DNA中形成更大的環。相關論文發表在《美國國家科學院院刊》上。
DNA環會把調節遺傳信息轉錄的DNA位點連接在一起。雖然科學家們已經很好地理解了DNA環及其功能，但直到現在，我們對DNA形成環的凝聚蛋白和內聚蛋白的作用機制卻知之甚少。
在這項研究中，美國萊斯大學理論生物物理中心(CTBP)的物理學家Jose Onuchic、Peter Wolynes和博士後同事Dana Krepel領導的團隊發現， SMC蛋白上有一個環形套索，套索由兩個35nm長的蛋白質捲曲螺旋組成。其中一端是一對連接DNA螺旋的「頭單元」馬達，另一端是「鉸鏈」，用來打開和關閉DNA螺旋。
Krepel說：「我們已經知道捲曲螺旋在結構上的重要性，但在最新的研究中我們發現，這些長長的螺旋非常活躍，當運行模擬實驗時，它們會編織在一起。DNA物理學的關鍵思想之一就是，DNA會通過改變纏繞程度和拓撲結構來運作，編織結構就是一種拓撲特徵。我們認為，蛋白質的拓撲結構可以與DNA的拓撲結構相互作用，就像紡車上相互纏繞的線一樣。」
Krepel說：「SMC蛋白帶正電荷，DNA帶負電荷。我們正在研究這些正電荷和負電荷是如何相互作用的。」「很明顯，蛋白螺旋肯定會利用這些電荷模式在DNA周圍纏繞。」Wolynes補充說。
在這項研究中，研究小組觀察了含有1100到1300個胺基酸殘基的凝聚蛋白和內聚蛋白的結構。「利用直接耦合分析和基於結構的模擬實驗，我們現在正在研究這些蛋白在人體中的表現。Onuchic說：「使用這種方法，我們可以預測結構，但是要了解它們的動力學細節則需要真實的力場。因此，從最初預測的結構開始，我們進行了AWSEM算法模擬（Wolynes最新開發的算法），揭示了編織的過程。」
這些模型還表明了結合DNA的馬達——ATP酶可以轉動編織結構。「我們推測具體情況可能是這樣的，當兩個馬達都通過扭轉將DNA擠壓成環狀時，一個解旋，另一個向上螺旋，套索就可以將蛋白螺旋的扭轉轉化成DNA的螺旋。」Wolynes說，「螺旋不是被動地掛在那裡，它們在這個過程中的參與度比我們想像的要高得多。」
接下來，研究人員將測試一個更大的系統，用兩股DNA觀察扭轉作用是否成立。這一工作是CTBP研究的一部分，旨在將蛋白質摺疊理論擴展到更大的染色體動力學問題。研究人員指出，這將是該中心未來工作的主要目標之一。
Wolynes說：「內聚蛋白及其在DNA成環中的作用是我們在染色體上進行的許多研究項目的重要組成部分。有相當多的疾病是由染色體紊亂引起的，我們希望更好地理解染色體形成的機制。」
原創編譯：花花 審稿：阿淼 責編：張夢
期刊來源： 《美國國家科學院院刊》
期刊編號： 0027-8424
原文連結：https://news.rice.edu/2020/01/02/snake-like-proteins-can-wrangle-dna/
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