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Science:DNA上的漫步

日期:2013-04-23 09:19:53

科學(xué)家們對(duì)細(xì)菌的一種限制性內(nèi)切酶進(jìn)行研究,揭示了解旋酶沿DNA做長距離移動(dòng)的機(jī)制,展示了這種酶對(duì)ATP能源的高效利用,文章發(fā)表在本期Science雜志上。

 

解旋酶helicase是一類分布廣泛的三磷酸腺苷酶(ATPase),在基因組中具有重要的功能。人類中的一些癌癥就與細(xì)胞的解旋酶有關(guān)。德國Bristol大學(xué)和Dresden工業(yè)大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn),解旋酶能夠?qū)⒒瘜W(xué)能和機(jī)械能巧妙的結(jié)合起來加以利用。這項(xiàng)研究深入解析了解旋酶的詳細(xì)作用機(jī)制,將有助于加深人們對(duì)解旋酶作用的了解,幫助研究者們開發(fā)新的相關(guān)技術(shù)和治療方法。

 

DNA解旋酶沿著DNA移動(dòng),并同時(shí)解開雙螺旋,露出單鏈DNA以便進(jìn)行修復(fù)或復(fù)制。此前人們普遍認(rèn)為,這一過程伴隨著化學(xué)能源ATP的消耗,并因此將解旋酶視為一種分子馬達(dá)。

 

在這項(xiàng)新研究中,Ralf Seidel及其團(tuán)隊(duì)通過單分子熒光顯微鏡,觀察了EcoP15I限制性內(nèi)切酶在病毒(噬菌體)DNA上的移動(dòng)。他們對(duì)解旋酶進(jìn)行了熒光標(biāo)記,在伸展一個(gè)DNA分子的同時(shí),對(duì)單個(gè)解旋酶的移動(dòng)進(jìn)行觀察。此外,研究人員還通過高分辨率的熒光光譜法,分析了上述過程中蛋白構(gòu)造的動(dòng)態(tài)變化,以及ATP消耗的動(dòng)力學(xué)情況。

 

令人驚訝的是,這種解旋酶只在反應(yīng)初期消耗ATP。研究顯示,解旋酶在與目標(biāo)位點(diǎn)結(jié)合時(shí),水解ATP進(jìn)行構(gòu)象改變。此后解旋酶在DNA上的長距離移動(dòng),僅由熱運(yùn)動(dòng)(thermal motion)驅(qū)使,這種熱運(yùn)動(dòng)是指與周圍水分子的碰撞。這樣的機(jī)制形成了典型的“隨機(jī)行走”(random walk)模式,即蛋白向前和向后移動(dòng)的幾率相同。

 

“我們的研究指出,解旋酶使用ATP能源進(jìn)行構(gòu)象改變,而不是用來解旋DNA。解旋酶在DNA上的長程移動(dòng),并不需要使用ATP能源。這種隨機(jī)移動(dòng)發(fā)生得很快,比許多ATP驅(qū)動(dòng)馬達(dá)更有效率。我們認(rèn)為,解旋酶經(jīng)由這一高效節(jié)能的途徑沿著DNA移動(dòng),這一機(jī)制可能也參與了DNA修復(fù)等其它過程。”文章的資深作者之一,生化教授Mark Szczelkun說。

 


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