在本研究的计算模型中，使用初始的环状复合物（右）或对分离的蛋白质施加扭矩（左）都能进行卷曲螺旋的编织。蛋白质用蓝色和红色表示。
图示卷曲螺旋与DNA的相互作用。卷曲螺旋不仅仅是被动的参与者，它还具有与DNA匹配的电荷模式，当螺旋受到外力扭曲时，DNA就会发生弯曲。莱斯大学的研究人员认为，这似乎是DNA折叠过程的起点。内聚蛋白复合物及其带电模式分别用灰色和蓝色表示，DNA用红色表示。
蛇形图案经常被用来象征医学，事实证明，这并非无稽之谈，它们还能模拟生命本身的钥匙。
近日，来自美国莱斯大学理论生物物理中心（CTBP）的科学家们正在深入研究帮助DNA在染色体中折叠的基本蛋白质的动力学。结果发现，染色体结构维护（SMC）蛋白的“卷曲螺旋”也会彼此缠绕，像蛇一样扭动，在DNA中形成更大的环。相关论文发表在《美国国家科学院院刊》上。
DNA环会把调节遗传信息转录的DNA位点连接在一起。虽然科学家们已经很好地理解了DNA环及其功能，但直到现在，我们对DNA形成环的凝聚蛋白和内聚蛋白的作用机制却知之甚少。
在这项研究中，美国莱斯大学理论生物物理中心(CTBP)的物理学家Jose Onuchic、Peter Wolynes和博士后同事Dana Krepel领导的团队发现， SMC蛋白上有一个环形套索，套索由两个35nm长的蛋白质卷曲螺旋组成。其中一端是一对连接DNA螺旋的“头单元”马达，另一端是“铰链”，用来打开和关闭DNA螺旋。
Krepel说：“我们已经知道卷曲螺旋在结构上的重要性，但在最新的研究中我们发现，这些长长的螺旋非常活跃，当运行模拟实验时，它们会编织在一起。DNA物理学的关键思想之一就是，DNA会通过改变缠绕程度和拓扑结构来运作，编织结构就是一种拓扑特征。我们认为，蛋白质的拓扑结构可以与DNA的拓扑结构相互作用，就像纺车上相互缠绕的线一样。”
Krepel说：“SMC蛋白带正电荷，DNA带负电荷。我们正在研究这些正电荷和负电荷是如何相互作用的。”“很明显，蛋白螺旋肯定会利用这些电荷模式在DNA周围缠绕。”Wolynes补充说。
在这项研究中，研究小组观察了含有1100到1300个氨基酸残基的凝聚蛋白和内聚蛋白的结构。“利用直接耦合分析和基于结构的模拟实验，我们现在正在研究这些蛋白在人体中的表现。Onuchic说：“使用这种方法，我们可以预测结构，但是要了解它们的动力学细节则需要真实的力场。因此，从最初预测的结构开始，我们进行了AWSEM算法模拟（Wolynes最新开发的算法），揭示了编织的过程。”
这些模型还表明了结合DNA的马达——ATP酶可以转动编织结构。“我们推测具体情况可能是这样的，当两个马达都通过扭转将DNA挤压成环状时，一个解旋，另一个向上螺旋，套索就可以将蛋白螺旋的扭转转化成DNA的螺旋。”Wolynes说，“螺旋不是被动地挂在那里，它们在这个过程中的参与度比我们想象的要高得多。”
接下来，研究人员将测试一个更大的系统，用两股DNA观察扭转作用是否成立。这一工作是CTBP研究的一部分，旨在将蛋白质折叠理论扩展到更大的染色体动力学问题。研究人员指出，这将是该中心未来工作的主要目标之一。
Wolynes说：“内聚蛋白及其在DNA成环中的作用是我们在染色体上进行的许多研究项目的重要组成部分。有相当多的疾病是由染色体紊乱引起的，我们希望更好地理解染色体形成的机制。”
科界原创
编译：花花 审稿：阿淼 责编：张梦
期刊来源： 《美国国家科学院院刊》 期刊编号： 0027-8424
原文链接：https://news.rice.edu/2020/01/02/snake-like-proteins-can-wrangle-dna/
版权声明：本文由科界平台原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。
