当人们想到DNA时，他们会想到一种双螺旋结构。事实上，细胞内的DNA双螺旋是超盘绕的，并被束缚成环状。众所周知，这种超盘绕和环绕会影响DNA活动的各个方面，但这是如何发生的还不清楚。
贝勒医学院(Baylor College of Medicine)的研究人员发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一项研究表明，超盘绕和环绕可以沿DNA主干传递机械应力。这种压力可以促进特定远端的双螺旋链的分离，暴露DNA碱基，从而促进DNA的修复、复制、转录或其他方面的功能。
通讯作者Lynn Zechiedrich博士说:“DNA以一种稳定和受保护的形式存储细胞的遗传信息，细胞很容易进行其活动。”生物体通过将DNA储存在超螺旋环中来实现这一看似矛盾的目标。在目前的研究中，我们研究了超螺旋和环状结构是如何调节DNA活性的。”
泽海德里希和她的合作者开始制造小块的超螺旋DNA，就像活细胞中存在的那样。他们取了一个短的线性DNA双螺旋，并对其进行一次、两次、三次或更多的扭曲，要么朝着双螺旋旋转的方向(正超螺旋)，要么朝反方向(负超螺旋)。然后他们把两端连在一起，形成一个圈。
“在之前的研究中，我们用电子冷冻断层扫描(cryo-ET)观察了超螺旋微圆的三维结构，这是一种成像技术，可以产生大分子的高分辨率三维视图，”Zechiedrich说，他是贝勒大学丹·L·邓肯综合癌症中心的成员。“根据特定的超卷水平，我们观察到各种各样的小圆形状，这令人惊讶。我们观察到的许多形状都含有急剧弯曲的DNA。这个观察结果出乎意料。”
这是出乎意料的，因为模型表明，超螺旋DNA圈的行为更像一个扭曲的橡皮筋。
Zechiedrich说:“我们发现，超盘绕的环状DNA，不是轻轻地弯曲，而是突然弹出尖锐的边缘，在双螺旋结构中产生破坏。”“这些开口暴露了特定的DNA密码，使蛋白质可以找到特定的序列，与DNA相互作用，例如修复它或复制它。”
“另一个重要的发现是‘远距离行动’的概念，”第一作者乔纳森·m·福格博士说，他是泽希德里希实验室的资深科学家。“在环上一个位置的超螺旋应力的影响可以沿着DNA主干传递到远处的位置。例如，如果一个部位急剧弯曲，那么远离第一个部位的第二个部位也会急剧弯曲。研究线性DNA并没有捕捉到这种现象，但我们的超盘绕微圈揭示了在细胞中发现的DNA的这些动态特性。”
这些发现为研究DNA活动是如何调控提供了新的视角。目前的想法是，特定的蛋白质与DNA相互作用，分离双螺旋结构的片段，例如，需要复制的片段，或转录成RNA来生产蛋白质。
Zechiedrich说:“在这里，我们证明了不需要蛋白质来访问DNA，它可以自己使自己可以访问。”
“我们的细胞已经创造了许多处理储存和使用DNA的复杂过程，而DNA的形状会影响所有这些过程，”该研究的合著者、药理学和化学生物学系的研究生艾莉森·贾奇(Allison Judge)说。
“我们的发现提供了关于什么支配DNA形状的新见解，”共同作者Erik Stricker说，他是儿科-肿瘤学研究生。“我们提出，这些新型DNA形状的变化可能有潜在的纳米技术应用，比如基因治疗。”
“我们的研究将DNA从被动的生物分子重新定义为主动分子，”合著者希尔达·陈(Hilda Chan)说，她是医学科学家培训项目的研究生。“我们的发现刺激了未来的工作，研究DNA如何利用其形状在各种情况下控制特定序列的可达性，比如对药物的反应、感染或细胞周期中的点。”
DOI10.1038 / s41467 - 021 - 25936 - 2
文章标题超绕线和环化可以促进DNA碱基的可及性和远处位点之间的协调