摘要:科學家發現,塑造我們DNA的蛋白質機器可以改變方向。
來自代爾夫特、維也納和洛桑的科學家發現,塑造我們DNA的蛋白質機器可以改變方向。到目前為止,研究人員認為這些所謂的SMC馬達只能向一個方向移動。這一發現發表在《Cell》雜志上,是理解這些馬達如何塑造我們的基因組和調節我們的基因的關鍵。

DNA連接
“有時,細胞需要快速改變哪些基因應該表達,哪些應該關閉,例如對食物、酒精或熱量的反應。為了關閉和打開基因,細胞使用染色體結構維護(SMC)馬達,就像開關一樣連接DNA的不同部分,”第一作者Roman Barth解釋道。
代爾夫特理工大學的Roman Barth說:“然而,SMC機器自然不知道要連接哪些部件。它們只是在DNA上的某個地方裝載,并開始將其塑造成一個環,直到它們到達一個被迫停止的點。這就是為什么他們嚴重依賴于探索DNA兩側的能力來找到正確的停止標志?!?/div>
齒輪箱
代爾夫特理工大學的生物物理學家現在發現,SMC馬達可以改變方向,這與之前認為的可能相反。“我們的實驗表明,SMCs暫時從一側拉DNA,然后切換方向從另一側拉DNA。通過這樣做,隨著時間的推移,它們可以將DNA從兩側拉入一個環。我們發現這對所有類型的SMC馬達都是正確的,其中有很多,”代爾夫特教授Cees Dekker說。“你可以把它比作汽車的變速箱:通過手動變速桿,你可以讓汽車前進或后退。我們甚至在黏結蛋白SMC馬達蛋白中發現了‘齒輪桿’,即蛋白質亞基NIPBL?!?/div>
圖2 SMC介導的DNA環擠出過程中穿插著環擴散和環滑動事件
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圖2 SMC介導的DNA環擠出過程中穿插著環擴散和環滑動事件
令人印象深刻的納米技術
為了發現SMC馬達的反向齒輪,研究人員使用了一種先進的自制顯微鏡來觀察單個DNA分子上的單個蛋白質。這本身就是一項令人印象深刻的成就,正如Barth解釋的那樣:“單個細胞包含數百萬種蛋白質,而人體由數萬億個細胞組成。提取出一些蛋白質,并能夠一個一個地‘觀察’它們,這是納米技術的一項了不起的壯舉,它涉及到納米尺度的成像——比人類頭發的寬度還小10萬納米?!?/div>
神經退行性疾病
“一旦我們了解了SMC分子馬達是如何塑造DNA的,我們可能會開始問,在癌癥和神經變性疾病等疾病中,是什么出了問題,更重要的是,如何糾正它,”Barth說?!袄?,神經生殖疾病可能是懷孕早期基因失調的結果。事實上,有一些嚴重的疾病,如Cornelia de Lange綜合征,與SMCs有關,其中馬達可能無法在胚胎細胞內正確切換?!?/div>
圖1 SMC運動蛋白不對稱地擠壓DNA并可以改變方向
該研究最終解決了科學界對SMCs如何工作的各種相互矛盾的理論的困惑。早期的研究表明,SMCs只能嚴格地向一個方向移動,而其他研究表明,它們同時從兩個方向吸收DNA。這一發現解決了這些爭議。
Barth:“發現SMC馬達之間的共性有助于集中和簡化SMC研究領域。我們不再需要為每種類型的SMC蛋白尋找新的機制。它還將加速該領域向應用科學的發展。我很高興看到這些知識進入制藥公司、醫院,并最終進入醫生的辦公室?!?/div>
參考資料
[1] SMC motor proteins extrude DNA asymmetrically and can switch directions
摘要:科學家發現,塑造我們DNA的蛋白質機器可以改變方向。
來自代爾夫特、維也納和洛桑的科學家發現,塑造我們DNA的蛋白質機器可以改變方向。到目前為止,研究人員認為這些所謂的SMC馬達只能向一個方向移動。這一發現發表在《Cell》雜志上,是理解這些馬達如何塑造我們的基因組和調節我們的基因的關鍵。

DNA連接
“有時,細胞需要快速改變哪些基因應該表達,哪些應該關閉,例如對食物、酒精或熱量的反應。為了關閉和打開基因,細胞使用染色體結構維護(SMC)馬達,就像開關一樣連接DNA的不同部分,”第一作者Roman Barth解釋道。
代爾夫特理工大學的Roman Barth說:“然而,SMC機器自然不知道要連接哪些部件。它們只是在DNA上的某個地方裝載,并開始將其塑造成一個環,直到它們到達一個被迫停止的點。這就是為什么他們嚴重依賴于探索DNA兩側的能力來找到正確的停止標志?!?/div>
齒輪箱
代爾夫特理工大學的生物物理學家現在發現,SMC馬達可以改變方向,這與之前認為的可能相反?!拔覀兊膶嶒灡砻?,SMCs暫時從一側拉DNA,然后切換方向從另一側拉DNA。通過這樣做,隨著時間的推移,它們可以將DNA從兩側拉入一個環。我們發現這對所有類型的SMC馬達都是正確的,其中有很多,”代爾夫特教授Cees Dekker說。“你可以把它比作汽車的變速箱:通過手動變速桿,你可以讓汽車前進或后退。我們甚至在黏結蛋白SMC馬達蛋白中發現了‘齒輪桿’,即蛋白質亞基NIPBL?!?/div>
圖2 SMC介導的DNA環擠出過程中穿插著環擴散和環滑動事件

圖2 SMC介導的DNA環擠出過程中穿插著環擴散和環滑動事件
令人印象深刻的納米技術
為了發現SMC馬達的反向齒輪,研究人員使用了一種先進的自制顯微鏡來觀察單個DNA分子上的單個蛋白質。這本身就是一項令人印象深刻的成就,正如Barth解釋的那樣:“單個細胞包含數百萬種蛋白質,而人體由數萬億個細胞組成。提取出一些蛋白質,并能夠一個一個地‘觀察’它們,這是納米技術的一項了不起的壯舉,它涉及到納米尺度的成像——比人類頭發的寬度還小10萬納米?!?/div>
神經退行性疾病
“一旦我們了解了SMC分子馬達是如何塑造DNA的,我們可能會開始問,在癌癥和神經變性疾病等疾病中,是什么出了問題,更重要的是,如何糾正它,”Barth說。“例如,神經生殖疾病可能是懷孕早期基因失調的結果。事實上,有一些嚴重的疾病,如Cornelia de Lange綜合征,與SMCs有關,其中馬達可能無法在胚胎細胞內正確切換。”
該研究最終解決了科學界對SMCs如何工作的各種相互矛盾的理論的困惑。早期的研究表明,SMCs只能嚴格地向一個方向移動,而其他研究表明,它們同時從兩個方向吸收DNA。這一發現解決了這些爭議。
Barth:“發現SMC馬達之間的共性有助于集中和簡化SMC研究領域。我們不再需要為每種類型的SMC蛋白尋找新的機制。它還將加速該領域向應用科學的發展。我很高興看到這些知識進入制藥公司、醫院,并最終進入醫生的辦公室?!?/div>
參考資料
[1] SMC motor proteins extrude DNA asymmetrically and can switch directions
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