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长达十年的科学争端终解决!两篇Science论文揭示人黏连蛋白通过挤压DNA环进行基因组组装

来源:本站原创 2019-12-21 07:35

2019年12月21日讯/生物谷BIOON/---黏连蛋白(cohesin)是一种结合染色体的多亚基腺苷三磷酸酶复合物。在加载到染色体上后,它会产生DNA环来调节染色体功能。有人提出黏连蛋白通过环挤压来实现基因组组装,然而缺乏直接的证据来支持这一点。

在第一项新的研究中,奥地利维也纳生物中心分子病理学研究所(IMP)主任Jan-Michael Peters及其团队首次证实一种分子机器通过“环挤压(loop extrusion)”主动地和有目的地折叠DNA,从而在间期细胞中实现了多种重要功能。这种针对DNA成环(DNA looping,即形成DNA环)过程提出的新见解改变了关于基因组如何在细胞内组装的旧观点。这一发现阐明了生命的基本机制,并解决了长达十年的科学争端。相关研究结果发表在2019年12月13日的Science期刊上,论文标题为“DNA loop extrusion by human cohesin”。
图片来自Cees Dekker Lab TU Delft/Scixel。

从进化论的古老性来看,DNA环形成的过程既不是随机的也不是任意的。从细菌到人类,所有生物的细胞都具有这种功能。这种折叠机制的原始功能尚不清楚,我们可能永远也找不出来,但是近年来发现了一些重要的功能。通过形成DNA环,DNA大分子上相隔较远的区域变得非常接近并能够相互作用。这种物理接触在基因调控中起着重要作用,在基因调控中,称为增强子的DNA片段影响哪些基因是活跃的。DNA环形成对于免疫细胞产生各种抗体的能力也是必不可少的。

关于这些DNA环如何被保持在适当位置上的想法起源自IMP Peters实验室前博士后研究员Kerstin Wendt的研究工作。2008年,她的研究结果已提示着蛋白复合物黏连蛋白完成了DNA环形成。10年前,IMP科学家Kim Nasmyth的实验室鉴定出黏连蛋白是一种分子胶(molecular glue),可在有丝分裂早期将姐妹染色单体保持在一起。黏连蛋白通常呈环状结构(ring-shaped),被认为像钩环(carabiner)一样夹在DNA上。

长期以来,这种DNA折叠状态一直被认为是一种静态构型,黏连蛋白分子的作用非常类似于窗帘杆上的环,可滑动到DNA上而不与它结合。关于如何形成DNA环的想法来自包括麻省理工学院物理学家Leonid Mirny在内的几位科学家。Mirny提出黏连蛋白最初会形成微小的DNA环,然后会逐渐变大,直到在这种“挤压”过程中,黏连蛋白被确定这些环锚定位置的DNA的边界阻止。然而,这种环挤压假说与当时也已建立的DNA是静态的和黏连蛋白在它的周围形成被动环状结构的观点完全不同,因此许多生物学家对此表示怀疑。正是由于论文第一作者、Peters实验室资深博士后研究员Iain Davidson和他的同事们的聪明才智和费时费力的实验,这一争议如今才得以解决。

Peters团队(包括Davidson)能够在体外的一种简化系统中重建黏连蛋白的功能。因此,Davidson能够观察到单个黏连蛋白分子如何将DNA的单个片段快速地挤压成DNA环,就像Mirny和其他人所假定的那样。他的发现影响深远,并以多种方式改变了对基因组的整体认识:(1)基因组不是静态的,而是高度动态的结构;(2)基因组DNA的折叠是一种受到主动调节的过程,它涉及通过挤压让DNA分子成环,并且许多DNA环在不断运动;(3)这种DNA成环是由黏连蛋白介导的,因此黏连蛋白必须是一种分子马达,类似于诸如肌球蛋白之类的其他马达蛋白;(4)黏连蛋白分子在DNA周围形成钩环状的环状结构,而且还必须通过多个结合位点动态连接到DNA上,这样才能够折叠DNA;正如去年所发现的那样,凝缩蛋白(condensin)也必须如此。

Peters说,“这是一次真正的范式转变。早期的观察结果给了我们一些提示,但是Davidson领导的这项新的研究如今就证实这一点。在我的科学生涯中,很少有其他的发现像这个发现一样意义深远。”

与有关基因组的其他基本发现---比如DNA半保留复制和DNA通过同源重组进行重排---一样,这些发现有望很快成为教科书知识。对于IMP研究人员而言,下一个要解决的重要问题是黏连蛋白如何与DNA精确结合,然后它如何移动DNA以使得它折叠成DNA环,以及这个过程如何受到控制。他们已发现一种称为NIPBL-MAU2的蛋白复合物,对于黏连蛋白的运动功能至关重要,而不仅仅是像以前认为的那样,将黏连蛋白加载到DNA上。

在第二项新的研究中,来自美国德克萨斯大学西南医学中心和德克萨斯州大学奥斯汀分校的研究人员利用单分子成像揭示重组的人黏连蛋白-NIPBL复合物通过挤压DNA环来压缩裸露的和核小体结合的DNA。相关研究结果发表在2019年12月13日的Science期刊上,论文标题为“Human cohesin compacts DNA by loop extrusion”。论文通讯作者为德克萨斯大学西南医学中心的Hongtao Yu博士和德克萨斯州大学奥斯汀分校的Ilya J. Finkelstein博士。

黏连蛋白开展的这种DNA压缩需要三磷酸腺苷(ATP)水解,并且对压力敏感。这种压缩过程以每秒0.5kb的平均速率处理数万个碱基。黏连蛋白对双链DNA的压缩表明黏连蛋白二聚体双向挤压DNA环。这些结果表明黏连蛋白-NIPBL复合物是一种由ATP驱动的能够进行DNA环挤压的分子马达。

总之,这两项新的研究表明与黏连蛋白调节姐妹染色单体黏连在一起的方式不同,这种蛋白在环挤压过程中似乎不会在拓扑结构上捕获DNA。这些结果为染色质组装的环挤压模型提供了直接证据,并表明基因组结构是高度动态变化的。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Iain F. Davidson et al. DNA loop extrusion by human cohesin. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaz3418.

2.Yoori Kim et al. Human cohesin compacts DNA by loop extrusion. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaz4475.

3.Cohesin - a molecular motor that folds our genome
https://www.imp.ac.at/news/detail/article/cohesin-a-molecular-motor-that-folds-our-genome/
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