《Science Advances》细胞生物学突破：发现SMC蛋白分子马达的新特性

　　新的研究表明，SMC蛋白在人类和动物中都一致地环化和扭曲DNA。

　　

新的研究表明，SMC蛋白会绕圈和扭曲DNA在人类和酵母中持续存在，影响DNA结构和功能，这对解决遗传疾病至关重要。

来自代尔夫特理工大学Kavli研究所和IMP维也纳生物中心的科学家们发现了组织我们染色体的分子马达的一个新特性。六年前，他们发现SMC运动蛋白在DNA中产生长环。现在，他们发现这些蛋白质也会在它们形成的环中引入明显的扭曲。

这一发现加深了我们对染色体结构和功能的理解，揭示了细胞内DNA是如何管理的。它还提供了有价值的见解，了解DNA扭曲和环的破坏如何导致健康问题，包括内聚性疾病等发育障碍。研究人员在《Science Advances》杂志上发表了他们的研究结果。

DNA压缩和细胞功能

想象一下，试图把两米长的绳子塞进一个比针尖还小的空间。这是你身体里的每个细胞在将DNA打包进其微小的细胞核时所面临的任务。为了做到这一点，大自然发展出了非凡的策略。DNA被缠绕成紧密的一圈又一圈，形成一种叫做超级线圈的结构，并包裹在专门的蛋白质上以有效地储存。

DNA环和染色体动力学

然而，仅仅包装DNA是不够的——细胞还需要接触和管理这种紧密包装的遗传物质。当需要遗传信息时，DNA的特定部分被暂时打开并读取。在细胞分裂过程中，DNA必须完全展开、复制并分离成两个新细胞。

这个过程是由被称为染色体结构维护（SMC complex）的特殊蛋白质机器控制的。这些分子马达在DNA中产生长环，在调节染色体结构和功能方面起着关键作用。代尔夫特和其他机构的研究人员最近发现，这些DNA环是染色体组织和运作的核心——这是理解细胞生物学的一个重要突破。

DNA研究的创新

在代尔夫特理工大学Cees Dekker的实验室里，博士后Richard Janissen和Roman Bath现在提供了有助于解开这个谜团的线索。他们开发了一种使用“磁镊子”的新方法，通过这种方法，他们可以观察单个SMC蛋白质在DNA中形成环的步骤。重要的是，他们还能够解决SMC蛋白是否会改变DNA的扭曲。令人惊讶的是，研究小组发现它确实如此：人类SMC蛋白内聚蛋白确实不仅将DNA拉入一个环，而且在形成环的每一步中都以左旋的方式扭曲DNA 0.6圈。

SMC蛋白的进化一致性

更重要的是，研究小组发现这种扭曲行为并不是人类独有的。酵母中类似的SMC蛋白也有同样的行为。引人注目的是，来自人类和酵母的所有不同类型的SMC蛋白质都增加了相同数量的扭曲——它们在每个DNA环挤压步骤中将DNA旋转0.6次。这表明DNA挤压和扭曲机制在进化过程中保持了很长时间的不变。无论DNA在人类、酵母或任何其他细胞中是环状的，大自然都采用同样的策略。

对基因研究和健康的影响

这些新发现将为解决这种新型马达的分子机制提供重要线索。此外，他们清楚地表明，DNA环也影响我们染色体的超卷曲状态，这直接影响基因表达等过程。最后，这些SMC蛋白与多种疾病有关，如科妮莉亚·德·兰格综合征（Cornelia de Lange Syndrome），更好地了解这些过程对于追踪这些严重疾病的分子起源至关重要。

参考文献：“All eukaryotic SMC proteins induce a twist of -0.6 at each DNA-loop-extrusion step” by R. Janissen, R. Barth, I. F. Davidson, J.-M. Peters and C. Dekker, 13 December 2024, Science Advances.