Nature：发现DNA折叠发生的新结构

细胞破裂历程中，遗传物质 DNA 的均平分配至关重要，而凝缩卵白有着关键作用，科学家们一直在探索凝缩卵白的详细作用机制。克日，科学家们发现了 DNA 一种全新的折叠方式——“Z 型环”，为更好地相识 DNA 迈出了重要的一步。

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泉源：代尔夫特理工大学

翻译：阿金

审校/编辑：李光昭

细胞中的 DNA 形态堪比餐盘中的意大利面条：杂乱地纠缠成团。为了在细胞破裂时，能够将遗传物质 DNA 均等地分给两个子细胞，细胞将这团“乱麻”浓缩成染色体的形式。在这一历程中，一种卵白复合物——凝缩卵白（condensin）发挥了关键作用，但生物学家还不清楚其确切的分子机制。直到 2018 年 2 月，代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）卡夫里研究所（Kavli Institute）的科学家们和海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL Heidelberg）的同事们一起通过实时成像技术，展示了凝缩卵白如何将 DNA 挤压成环状结构。如今，来自同一研究小组的后续研究讲明，这绝不是凝缩卵白凝聚 DNA 的唯一方式。研究人员发现了一种全新的 DNA 环状结构，并将其称为“Z 型环”（Z-loop）。他们将这一新现象揭晓在 3 月 4 日的《自然》（Nature）杂志上，首次展现了凝缩卵白如何通过相互作用，将 DNA 折叠形成 Z 型结构。

图片泉源：Cees Dekker Lab TU Delft/Scixel

环状结构以外

代尔夫特理工大学的博士后，欧根·金博士（Dr. Eugene Kim）说：“这一研究源起自一个疑问：DNA 是否可以仅通过环状结构的折叠浓缩成染色体，还是有其它我们不相识的环节。我们希望可以同时看到几个凝缩卵白。在实验历程中，我们发现了一种全新的 DNA 折叠形式，和单环结构有着显著差异，而且令人意外的是，比单环结构的泛起比例更高。我们通过实验手段确认，DNA 被折叠成了一种“之字形”结构。因为 DNA 折叠后的形状像英文字母 Z，我们将这种结构命名为‘Z 型环’。研究人员们因为好奇开始研究这一结构。“这很出乎我们的意料。”金博士继续讲到，“我们在料想，DNA 如何通过两个凝缩卵白形成这样的结构？这其中的分子机制是什么？”

互助完成的Z型结构

研究领头人塞斯·德克教授（Cees Dekker）解释道：“Z 型结构的形成，先由一个凝缩卵白着陆在 DNA 外貌，发生单个 DNA 环开始，随后，第二个凝缩卵白联合 DNA 单环，开始制造第二个单环，形成环中环。当两个凝缩卵白像拔河一样向双方拉锯时，泛起了一个令人惊讶的现象了：第二个凝缩卵白跳过了第一个凝缩卵白，捕捉环外的 DNA，并沿着 DNA 继续运动。我们感应很受惊：两个凝缩卵白复合物竟然可以穿过相互。这与现有模型并不相符：科学家曾认为凝缩卵白相遇时，会相互阻碍。”

图片泉源：DNA-loop extruding condensin complexes can traverse one another，Eugene Kim et al.

视察事情中的凝缩卵白

在细胞中 DNA 的缠绕方式很是庞大，因此很难将其分散出来，研究成环的历程。因此，研究人员决议在玻璃片上视察单个 DNA 分子的成环历程。他们将 DNA 分子的两头牢固在玻璃片外貌，并通过荧光标志 DNA 分子和凝缩卵白。然后，垂直于分子偏向，向液体施加流动，研究人员乐成使 DNA 出现 U 型，放到显微镜下举行视察。

医学研究意义

该研究为我们从基础上相识细胞中的 DNA 迈出了重要的一步。同时，还具有医学研究意义。凝缩卵白所属的染色体结构维持（SMC）卵白家族的异常与多种遗传性疾病相关，例如德朗热综合症(CdLS)。凝缩卵白对细胞破裂历程中的染色体分配和变化也发挥着关键作用，而染色体（数目）变化异常，便可能导致癌变。更好地明白这其中潜在的分子机制对于研究这些严重疾病的分子起源至关重要。