Cell：从拓扑学角度揭示DNA复制之谜

来源：生物谷

生命分子存在缠绕的现象。但是，DNA双螺旋中那两条熟悉的链是如何在没有缠绕的情况下成功复制的，这就很难解释了。

在一项新的研究中，来自美国康奈尔大学的研究人员从拓扑学角度解决了这个问题。他们研究了这种双螺旋形状对DNA复制的影响。通过使用真核生物作为模型系统，他们发现染色质（由DNA、组蛋白和非组蛋白等成分组成）的内在机械性能决定着染色质纤维如何缠绕。相关研究结果发表在2019年10月17日的Cell期刊上，论文标题为“Synergistic Coordination of Chromatin Torsional Mechanics and Topoisomerase Activity”。

图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.09.034。

这种拓扑结构对于成功分离新复制的DNA至关重要：如果染色质纤维缠绕得太紧太早，则这些新复制的DNA分子在细胞分裂过程中将无法正确分离。

论文通讯作者、康奈尔大学文理学院物理学教授Michelle Wang说，“这项研究突出了物理原理在基本生物学过程中的重要性。”

在DNA复制过程--复制体（replisome）将两条DNA链分开并向前移动---中，DNA也必须绕双螺旋轴缠绕。这会让DNA承受很大的扭转应力（torsional stress），从而导致DNA发生额外的扭曲。

问题在于：额外的扭曲在哪里发生？如果额外的扭曲仅发生在复制体的正面，那么两个子DNA分子将不会缠绕在一起，因此它们可以分开。但是，如果额外的扭曲发生在复制体的背面，那么两个子DNA分子将缠绕在一起，无法分开。这将为细胞分裂过程中的染色体分离创造一个主要问题，这可能导致DNA损伤并导致细胞死亡或癌症。

这些研究人员发现，缠绕单条染色质纤维比缠绕双条染色质纤维要容易得多。这意味着额外的扭曲将优先发生在复制体的正面，从而让两个子DNA分子之间的缠绕最小化。

Wang说：“尽管染色质通常被认为是DNA复制的障碍，但我们的结果表明，染色质还简化了复制拓扑结构，从而促进了DNA复制动力学。我们认为这是相当了不起的。”

在一个单独的实验中，这些研究人员发现，一种能解开双螺旋DNA的酶（拓扑异构酶II）强烈偏爱正面的单条染色质纤维。染色质机械性能和拓扑异构酶活性似乎以协同方式协调，以减少子DNA分子之间的缠绕。

为了了解染色质的机械行为，这些研究人员必须开发新的方法来处理它。由于这种任务的复杂性，以前尚未尝试过制作编织染色质纤维（braided chromatin fiber，指的是两条染色质纤维像编辫子那样编织在一起）基质。Wang和她的团队使用了他们先前开发的角向光阱工具（angular optical trap tool）以及其他方法来构建和处理单个染色质纤维基质和编织染色质纤维基质，从而使得他们能够研究它们的扭转机械性能。

参考文献：

1.Tung T. Le et al. Synergistic Coordination of Chromatin Torsional Mechanics and Topoisomerase Activity. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.09.034.
2.Scientists unwind mystery behind DNA replication
https://phys.org/news/2019-10-scientists-unwind-mystery-dna-replication.html