Science：DNA上的漫步
日期：2013-04-23 09:19:53
科學(xué)家們對細(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做長距離移動的機(jī)制，展示了這種酶對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，并同時解開雙螺旋，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)。
在這項新研究中，Ralf Seidel及其團(tuán)隊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。他們對解旋酶進(jìn)行了熒光標(biāo)記，在伸展一個DNA分子的同時，對單個解旋酶的移動進(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)造的動態(tài)變化，以及ATP消耗的動力學(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)位點結(jié)合時，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，僅由熱運(yùn)動（thermal motion）驅(qū)使，這種熱運(yùn)動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，并不需要使用ATP能源。這種隨機(jī)移動發(fā)生得很快，比許多ATP驅(qū)動馬達(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，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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