Science：重磅！首次证实凝缩蛋白具有马达功能

　　生物学的众多奥秘之一是：细胞如何巧妙地分配它复制的DNA到两个子细胞中？一个多世纪以来，我们已知道细胞中的DNA就好比一盘意大利面条：杂乱地混合在一起的面条。当细胞分裂时，它们必须将两米长的DNA包装成整洁的小包裹---染色体。这种包装是由凝缩蛋白（condensin）诱导的，但是科学家们对它的真实作用机制产生分歧。一种观点是这种蛋白像钩子那样发挥作用，随机地抓住杂乱的DNA的某个地方，随后将这些DNA系在一起。另一种观点是这种环形的蛋白将DNA往内挤压，产生一种环。

　　 在一项新的研究中，来自德国、美国和荷兰的研究人员大为支持这种环挤压（loop-extrusion）观点，证实凝缩蛋白确实具有产生这种动态变化所需的马达功能。相关研究结果于2017年9月7日在线发表在Science期刊上，论文标题为“The condensin complex is a mechanochemical motor that translocates along DNA”。

　　 早在1882年，当时知名的生物学家Walter Flemming记录了DNA浓缩过程。通过在显微镜下观察，他看到细胞如何巧妙地组装成束的DNA，随后将它们分布到两个新的子细胞中。然而，100多年来，这个过程的精确细节一直是个谜。

　　 论文共同作者、荷兰代尔夫特理工大学卡弗里研究所研究部主任Cees Dekker解释道，“在细胞生物学领域，针对这个问题存在不同的观点。近年来，凝缩蛋白挤压成环的观点胜出，获得计算机模拟的支持。这种观点是环形的凝缩蛋白抓住DNA，以一种环状的方式挤压DNA通过它的环状结构。仅当这种蛋白具有马达活性时，这才是有可能实现的。这种环挤压观点存在的一个问题是迄今为止，这种类型的马达功能未被检测到。此外，挤压DNA环通过凝缩蛋白的环状结构需要太多的能量，远多于我们针对凝缩蛋白观察到的能量消耗。”

　　马达功能

　　 在这项新的研究中，这些研究人员首次证实凝缩蛋白确实具有马达功能。他们把在一个表面上伸展的DNA放置在适当的位置上，加入凝缩蛋白，每个凝缩蛋白携带着发光的量子点便于观察。论文共同第一作者Jorine Eeftens解释道，“我们观察到凝缩蛋白如何沿着DNA移动。这仅当ATP分子存在时才会发生。这些结果也表明凝缩蛋白在DNA表面上迈出非常大的步伐，因而需要比之前认为的显著更少的ATP。”

　　接着，这些研究人员利用发光的DNA链替换凝缩蛋白上的这些发光的量子点。他们再次观察到凝缩蛋白以同样的方式移动。因此，凝缩蛋白能够让一段DNA相对于另一段DNA移动，这就与DNA环形成相对应。

　　Dekker说，“这种确切的作用机制仍有讨论的余地。不过，这一发现当然会极大地支持这种环挤压观点。我们还证实所需的能量比之前认为的少很多。”

　　这项研究代表着对细胞的基础理解取得重大的进展，不过它对医学研究也产生重大的影响。凝缩蛋白所在的蛋白家族，即SMC蛋白，存在的故障与德朗热综合征等遗传病相关联。在细胞分裂期间，凝缩蛋白也在染色体组装中发挥着关键性的作用，这个过程发生差错可导致癌症。更好地理解这些过程对追踪严重疾病的分子起源是至关重要的。