DNA是一种冗长的分子 - 比它所在的细胞长约1,000倍 - 所以它不能随意地堵塞。相反，它必须整齐地组织，因此参与关键过程的蛋白质可以访问其核苷酸碱基中包含的信息。可以想象双螺旋就像一对扭结在一起的鞋带，一次又一次地盘绕在一起，使分子更加紧凑。

然而，当细胞分裂时，这种超螺旋性质使得参与DNA复制的蛋白质难以接近链，分离它们并复制它们，因此一个DNA分子可以变成两个。

复制开始于染色体的特定区域，其中特殊的蛋白质将两条链分开，像两条鞋带一样拉开双螺旋。然而，这种局部分离实际上进一步缠结了分子的其余部分，并且在没有干预的情况下产生了紧张的累积，阻碍了复制。进入被称为拓扑异构酶的酶，当它们被剥离时，它们在束前行进，剪断它们，解开它们，然后重新加入它们以减轻由超螺旋引起的张力。

通常认为这些拓扑异构酶足以允许复制进行。然而，来自麻省理工学院和杜克大学医学院的一组研究人员表示，酶可能需要额外蛋白质的指导，这些蛋白质识别过度扭曲DNA的形状特征。

“很长一段时间我们都知道拓扑异构酶是复制所必需的，但是它们自身是否足够已经不为人知了，”麻省理工学院生物学教授，霍华德休斯医学研究所研究员，高级作者Michael Laub说。研究。“这是第一篇在细菌或真核生物中鉴定蛋白质的论文，它需要在复制叉之前定位拓扑异构酶，并帮助他们做那些他们在那里做的事情。”

博士后Monica Guo '07和前研究生Diane Haakonsen博士。'16是该研究的共同第一作者，该研究于9月13日在Cell杂志上发表。

必要但不充分

尽管拓扑异构酶对DNA复制至关重要，但现在已经很清楚，我们对调节其活性的机制知之甚少，包括它们在何时何地采取行动以缓解超螺旋。

这些酶分为两类，I型和II型，取决于它们切割的DNA链数。研究人员专注于在常见的淡水细菌Caulobacter crescentus中发现的II型拓扑异构酶。细菌中的II型拓扑异构酶是特别令人感兴趣的，因为许多抗生素靶向它们以防止DNA复制，治疗多种微生物感染，包括结核病。没有拓扑异构酶，细菌就无法生长。由于这些细菌酶是独特的，针对它们的毒药不会损害人类拓扑异构酶。

长期以来，II型拓扑异构酶通常被认为足以管理复制过程中出现的过度扭曲的超螺旋。虽然在大肠杆菌和其他高等生物中工作的研究人员已经确定了可以激活或抑制这些酶的其他蛋白质，但这些蛋白质都不需要复制。

这些发现暗示在其他生物体中可能发生类似的相互作用。为了了解特异性地压缩Caulobacter DNA调节拓扑异构酶活性所涉及的蛋白质因子，研究人员筛选了它们的细菌，以寻找与超螺旋DNA紧密结合的蛋白质。从那里开始，他们用一种蛋白质GapR进行研磨，他们发现这种蛋白质对于DNA复制至关重要。在缺乏GapR的细菌中，DNA变得过度扭曲，复制减慢，细菌最终死亡。令人惊讶的是，研究人员发现GapR识别出过度扭曲DNA的结构，而不是特定的核苷酸序列。

“绝大多数DNA结合蛋白通过识别一组特定的碱基定位于基因组的特定位置，”Laub说。“但是GapR基本上不关注实际的基础序列 - 只是过度扭曲的DNA的形状，它在复制叉和转录机制面前独一无二。”

杜克公司的玛丽亚舒马赫解决了与DNA结合的蛋白质的晶体结构，发现GapR识别DNA的骨架(而不是碱基)，形成一个环绕过度扭曲的DNA的紧密夹钳。然而，当DNA以其标准形式松弛时，它不再适合夹具内部。这可能意味着GapR仅在需要拓扑异构酶的位置上位于DNA上。

令人兴奋的里程碑

虽然GapR似乎是DNA复制所必需的，但目前尚不清楚这种蛋白质如何促进拓扑异构酶功能以缓解超螺旋。

“在没有任何其他蛋白质的情况下，GapR能够帮助II型拓扑异构酶更快地去除阳性超螺旋，但我们仍然不知道如何，”郭说。“一个想法是GapR与拓扑异构酶相互作用，识别过度扭曲的DNA并招募拓扑异构酶。另一种可能性是GapR基本上抓住DNA并限制正超螺旋的运动，因此拓扑异构酶可以更快地靶向和消除它们。”

John Innes中心的生物化学教授Anthony Maxwell没有参与这项研究，他说DNA超螺旋的积累是细菌复制和转录的关键问题。

“鉴定GapR及其在控制体内超螺旋中的潜在作用，是了解细菌DNA拓扑控制的一个令人兴奋的里程碑，”他说。“将需要进一步的工作来展示这些蛋白质如何合作以维持细菌基因组的完整性。”

据郭说，这项研究提供了一个基本过程-DNA复制的洞察力 - 以及拓扑异构酶的调控方式，可以扩展到真核生物。

“这是首次证明拓扑异构酶激活剂是DNA复制所必需的，”她说。“尽管高等生物中没有GapR同源物，但可能存在识别DNA形状并辅助或定位拓扑异构酶的类似蛋白质。”

她说，这可能开辟一个新的药物研究领域，目标是像GapR这样的激活剂，以提高现有拓扑异构酶毒物治疗呼吸道和泌尿道感染等疾病的效果。毕竟，许多拓扑异构酶抑制剂由于抗生素抗性而变得不那么有效。但只有时间会证明;为了解开DNA复制的复杂过程以及它的许多曲折，还有很多东西需要学习。