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循环和更多循环这就是你的DNA组织方式

值得注意的是,活细胞能够将长度超过两米的混杂DNA包装成整齐的微小染色体,同时为细胞分裂做准备。然而,几十年来科学家一直对这个过程的运作方式感到困惑。来自代尔夫特大学Kavli研究所和EMBL Heidelberghave的研究人员现在分离并拍摄了这一过程,并实时见证了一种叫做缩合蛋白的蛋白质复合物如何在DNA中挤出一个环。通过在长链DNA中挤出许多这样的环,细胞有效地压缩其基因组,使其可以均匀地分布到其两个子细胞中。科学家在科学上发表了他们的发现。

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这一发现解决了该领域激烈的争论,因为它最终回答了生物学中已经讨论了一个多世纪的问题:在分成两部分之前,细胞中的DNA与意大利面条相当 - 混合了混合的股线。细胞需要在染色体中组织这种混乱,以便能够将DNA整齐地分布在两个子细胞上。多年来,很明显蛋白质复合物凝聚素起着关键作用,但是到目前为止,生物学家们究竟是如何分歧的。一种理论认为,凝结素就像一个钩子,可以抓住并连接DNA混杂的DNA,从而将它们捆绑在一起。另一种理论认为,环状缩合物将DNA向内拉,形成环状。

在去年11月的“科学”杂志的一篇封面文章中,代尔夫特和合作实验室的科学家表明,缩合素具有这种环状挤出所需的运动功能。这为这个难题增添了一个重要的新篇章,但正如牛津大学的Kim Nasmyth在随后的观点中指出的那样,“凝聚素是DNA转位酶的发现肯定与它作为环形挤出机起作用的观点一致,但绝不是证明了这一点。挑战将是观察挤压和易位,确定它是否是个体或多聚体复合物的特性,并阐明其分子机制。

这正是现在已经完成的事情。来自代尔夫特大学Kavli研究所的Cees Dekker小组的科学家,以及来自EMBL Heidelberg的Christian Haering小组,他们建立了蛋白质的纯化和荧光标记,捕获了实际电影中的缩聚蛋白复合物 - 也就是它挤出了一圈DNA。

“我们只是通过拍摄来证明这一点,”代尔夫特的Cees Dekker集团的博士后Mahipal Ganji说道。“DNA是如此纠缠的杂乱无章,很难将细胞分离过程并在细胞中进行研究。在我们的研究中,第一步是将DNA分子的两端固定在表面上,并在DNA上涂上彩色染料。然后通过在垂直于分子的流体中施加流动,我们将DNA定向为U形并将其带入我们显微镜的焦平面。令人惊讶的是,我们可以看到单个缩合物结合并挤出一个环。 “

Cees Dekker教授补充道,“这解决了争论。这些数据提供了令人信服的证据,证明凝聚素在DNA中形成环状。我们的新型成像方法还可以测量各种定量数据:环形挤出的对称性,速度哪个环形成,当你拉上DNA时会发生什么。“

发现循环速度非常高:每秒可以通过缩合酶将高达1500碱基对的DNA卷入。并且它只消耗适量的细胞燃料ATP,这表明凝结素不会通过碱基沿着DNA碱基步进,而是大步拉动它。当略微拉动DNA时,循环过程会减慢。显然,由于紧张,凝结素似乎更难以创造一个循环。出乎意料的是,循环挤出是不对称的:“我们看到凝结素停靠在DNA上并固定在那里,然后开始只从一侧卷入DNA。”Dekker补充道,“又一个有趣的发现。”

该研究代表了对DNA基本理解的重要一步,但也与医学相关。缩合素所属的SMC蛋白家族的问题与遗传性疾病如Cornelia de Lange综合症有关。Condensin在细胞分裂过程中对染色体的组织也至关重要,并且该过程中的错误可导致癌症。更好地了解这些过程对于追踪严重疾病的分子起源至关重要。

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