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凝缩蛋白相互作用将DNA折叠成锯齿形结构

细胞中的DNA可与板上的意大利面条缠结相媲美。为了能够在细胞分裂过程中在两个子细胞之间整齐地划分DNA,细胞将这种纠缠组织成紧密堆积的染色体。众所周知,一种称为凝聚素的蛋白质复合物在此过程中起着关键作用,但是直到2018年2月,代尔夫特理工大学Kavli研究所的科学家与EMBL海德堡的同事一起,生物学家才确切知道它是如何工作的,实时显示凝缩蛋白在DNA中形成一个环。现在,同一研究小组的后续研究表明,这绝不是凝集素堆积DNA的唯一方法。研究人员发现了一种全新的循环结构,称为Z循环。他们在《自然》杂志上发表了这一发现,这是它们首次显示缩合蛋白相互作用,将DNA折叠成锯齿形结构。

不仅仅是循环

TU Delft博士后Eugene Kim博士说:“首先要解决的问题是,DNA是否可以通过单环折叠成紧密的染色体,或者是否还有更多。” “我们想同时看到几种凝缩蛋白。在实验过程中,我们发现了一种有趣的折叠DNA新形式,它明显不同于单个环,而且令人惊讶的是,与这些环相比,它发生的频率更高。我们能够通过实验找出了DNA以一种Z字形结构折叠的过程。我们将这些结构命名为Z环,因为DNA以字母Z的形式折叠。”

研究人员主要出于好奇而检查了结构。“这根本没有预料到,”金说。“我们想知道:两个凝聚素如何形成这种结构,其潜在的分子机理是什么?”

通过协作实现之字形结构

研究负责人Cees Dekker教授解释说:“当一个缩合蛋白落在DNA上并形成单个环时,Z形结构的创建就开始了。然后,第二个缩合蛋白结合在该环中并开始形成自己的环,从而形成一个环当两个凝缩蛋白在拔河过程中相遇时,发生了令人惊讶的事情:第二个凝缩蛋白跳到第一个凝缩蛋白上,将DNA捕获到环外,并沿着DNA继续前进。络合物可以彼此通过。这与当前的模型完全不符,后者假定冷凝物在相遇时会相互阻塞。”

在细胞中,DNA如此复杂,以至于很难分离和研究环挤出过程。因此,研究人员可视化了玻璃板上一个DNA分子中环的形成。他们将DNA分子的两端附着在表面上,并将荧光标记粘贴到DNA和凝集素蛋白上。然后,通过在垂直于分子的液体中施加流动,研究人员能够使DNA呈U形,并将其置于显微镜下成像。

这项研究是对DNA基本了解的重要一步。它还具有医疗意义。凝缩蛋白所属的蛋白质家族(SMC蛋白)的问题与遗传性疾病有关,例如Cornelia de Lange综合征。凝凝素在细胞分裂过程中对染色体的组织也至关重要; 此过程中的错误可能导致癌症。更好地了解潜在的分子机制对于寻找严重疾病的分子起源至关重要。

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