Science:科學家揭開新型DNA修復解鏈酶的結構及其相關功能

2015年4月20日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，刊登在國際著名雜誌Science上的一篇研究論文中，來自伊利諾伊大學的研究者利用兩種創新性的實驗技術首次觀察到了DNA修復特殊關鍵蛋白的結構及其相關功能，相關研究或可為解析生物學機制提供新的思路和見解。

兩種新型技術的結合，即將同步螢光顯微鏡同光學捕獲技術結合就可以幫助解釋對DNA修復關鍵的蛋白的結構和功能之間的諸多問題；研究者Chemla表示，文章中我們觀察了解鏈酶UvrD的功能-結構的關係，其是在大腸桿菌中發現的一種蛋白質，可以通過將DNA雙鏈進行解開及拉伸來進行DNA鏈的修復，在人類機體中也存在一種等價蛋白扮演著相同重要的角色，研究者就想去調查到底需要多少UvrD才能夠行使好自身的功能，當前科學家們爭論的焦點就是到底需要一個UvrD還是兩個UvrD的問題。

於是研究者利用染料分子對每一個蛋白進行了螢光標記，這樣便於計數，隨後在光學捕獲技術的幫助下研究者就可以清楚地觀察DNA的解鏈過程，結果發現，單一的UvrD解鏈酶可以解開DNA但並不會延伸的太遠，其會返回到解鏈起點來回往返，因此研究者將這種狀態稱之為「受挫狀態」，而當利用兩個UvrD分子後，其就延伸到很遠而且並不會返回起點進行往返過程。

研究者表示，有兩個特殊的結構同UvrD蛋白直接相關，這兩種結構可使得UvrD處於「開」的位置或「關」的狀態，而和每一種狀態相關的功能已經在科學界爭論了很多年了；本文中研究者利用單分子螢光共振能量轉移的技術，基於UvrD的兩種特殊結構進行了兩種染色，即可以看到一種顏色或另外一種，這就可以幫助指示該分子處於開啟或者關閉狀態，隨後研究者利用光學捕獲觀察到了是否UvrD可以對DNA進行解鏈。

研究者指出，實際上UvrD分子可以從開啟位置向關閉的位置進行旋轉，然後再返回，當其翻轉時處於關閉狀態的結構就會解開DNA雙鏈；而開啟狀態下該分子就可以使得DNA鏈進行壓縮。文章中研究者設計了一種在結構上與UvrD同源的名為Rep的解鏈酶，當其鎖定為關閉狀態下其就會變成一種超級解鏈酶對較遠距離的DNA雙鏈進行解鏈操作，而當鎖定為開啟狀態時該解鏈酶就不會履行任務。

這種生物工程化分子所行使特殊任務的能力或具有特殊的應用價值，即利用納米孔技術來進行快速的DNA測序等；研究人員表示，我們還利用PcrA同源性揭鏈酶對實驗進行了重複，同時也到了和上述類似的結果，未來我們將揭示另外一種蛋白如何同PcrA相互作用以及如何擴大PcrA的應用。蛋白質是複雜多變的，每一種蛋白都會履行一種功能，而其它蛋白的存在則可以通過改變結構來決定哪種功能被激活。（生物谷Bioon.com）

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Direct observation of structure-function relationship in a nucleic acid–processing enzyme

Matthew J. Comstock1,*, Kevin D. Whitley1, Haifeng Jia2, Joshua Sokoloski2, Timothy M. Lohman2, Taekjip Ha1,3,4, Yann R. Chemla1,†

Understanding how protein domains and subunits operate is critical for engineering novel functions into proteins. Arslan et al. introduced intramolecular crosslinks between two domains of the Escherichia coli helicase Rep, which unwinds DNA. By inserting linkers of different lengths, the domains can be held either 「open」 or 「closed.」 The closed conformation activates the helicase, but it can also generate super-helicases capable of unzipping long stretches of DNA at high speed and with considerable force. Comstock et al. used optical tweezers and fluorescence microscopy to simultaneously measure the structure and function of the bacterial helicase UvrD. They monitored its DNA winding and unwinding activity and its shape during these activities. The motor domain also has a 「closed」 conformation during DNA unwinding and switches to a reversed 「open」 conformation during the zipping-up interaction.