研究闡釋UvrD解旋酶的工作機理

 

解旋酶是一種常見的馬達蛋白，它以核酸單鏈為軌道沿著核酸鏈定向移動，並利用ATP水解提供的能量打開互補的核酸雙鏈, 獲得單鏈。解旋酶在DNA的複製、修復、重組以及轉錄等代謝過程都起著重要作用。但是人們迄今還沒有完全理解解旋酶的解旋機制。單分子操縱技術幫助人們在單分子水平定量研究解旋酶的解旋動力學，是研究解旋酶分子機制的高端技術。大腸桿菌UvrD解旋酶是具有在DNA單鏈上由3′至 5′方向行走極性的解旋酶，有4個子功能域。關於UvrD各個子功能域的功能、它的解旋機制、特別是其有效的工作模式一直是爭論的焦點(Cell,127(2006)1349; Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9(2008)391)。

 

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室李明研究組與法國國家科學中心奚緒光研究組合作，利用單分子磁鑷裝置以及帶有發卡結構的DNA對UvrD解旋酶的解旋機制進行了深入研究。在低蛋白質濃度下，他們觀察到了一系列單次DNA解旋過程，發現相鄰兩次解旋過程的時間間隔由兩個相連的泊松過程控制，給出了UvrD雙體工作模型的實驗證據。特別是，他們還研究了外界拉力對UvrD解旋效率的影響，發現作用於DNA分開的兩個單鏈端點、且使DNA失穩的拉力反而抑制該解旋酶的工作。這與以前報導過的T4解旋酶(PNAS,104 (2007) 19790)和T7解旋酶(Cell,129 (2007) 1299)有明顯區別，說明UvrD是一個有特殊作用機制的馬達蛋白。結合已經報導的UvrD解旋酶的晶體結構、生化實驗數據以及上述實驗結果，他們提出了一種應變蠕蟲二聚體協同工作模型。他們認為UvrD單體的2B子功能域與雙鏈DNA結合後阻止其解旋，也就是說有「自鎖」效應。需要另一個UvrD與之結合，形成二聚體，後面一個UvrD的2B子功能域與前面一個UvrD的2B子功能域緊密結合，解除自鎖，允許前一個UvrD完成解旋功能。此過程導致穿過該二聚體的DNA單鏈形成50度左右的彎折，將單鏈收縮約0.5-1.0 nm。從力學角度看，此解旋過程需要克服外力做功，從而導致解旋速度隨外力的增加而降低。這種二聚體模型也與他們觀察到的解旋動力學細節相互印證。例如，他們推斷，二聚體在解旋過程中解體時會導致解旋暫停，且UvrD沿DNA單鏈反向行走會有兩種不同的速度，分別代表UvrD單體和雙體的行走速度。這些推論都被實驗證實。該項工作的結果發表在2008年12月份的《EMBO雜誌》上。

 

此項工作得到了蛋白質重大研究計劃和基金委的資助。（來源：中國科學院物理研究所） 

  

（《

EMBO

雜誌》（

The EMBO Journal

）， Ming Li，Xu Guang Xi）