水稻研究揭示了盘卷如何再次盘卷来指导染色体过程的细节
事实证明，经常被用来象征医学知识的蛇形图案非常贴切，它们还模拟了一把打开生命之门的钥匙。
Rice’s理论生物物理中心(CTBP)的成员正在深入研究帮助DNA在染色体中折叠成紧凑的功能性形式的基本蛋白质的动力学。他们发现，一种关键蛋白质的“螺旋”也会彼此缠绕，像蛇一样扭动，在DNA中形成更大的螺旋。
蛇杖，常被描绘成医学的象征。由维基百科
反过来，这些环把调节基因信息转录的DNA位点连接在一起。虽然环和它们的功能正在被更好地理解，但直到现在，还没有人能够仔细观察使DNA形成形状的凝聚蛋白和内聚蛋白。
由物理学家Jose Onuchic、Peter Wolynes和博士后同事Dana k击退领导的Rice团队在《美国国家科学院院刊》上发表报告称，染色体结构维护(SMC)蛋白可能通过一种新的机制来主动管理DNA。
他们发现这些蛋白质有环状的套索，由两个35纳米长的蛋白质盘绕而成。一端是一对连接DNA线圈的“头单元”马达，另一端是“铰链”，用来打开和关闭DNA线圈。
实验室的模拟显示，这些盘绕的线圈绝不是柔软的套索。
k击退说:“我们已经知道这些盘绕的线圈具有某种结构上的重要性，但我们看到的是这些长线圈非常活跃。”“我们仍在调查，但在我们运行模拟，我们看到线圈想要在一起，有点像耳机，得到所有扭曲，当你把它们放在你的包。我们马上就看到了变化。”
“我们用的是编织这个词。”“人们以为那些盘成一团的线圈只是简单地挂在外面，但他们不认为它们会再次整齐地叠在一起。
莱斯大学的科学家们的这幅插图证明了内聚蛋白是一个编织结构的集合(中间部分)。内聚蛋白是在DNA组织中起重要作用的蛋白质家族中的一员，但对其作用机制却知之甚少。在Rice的计算模型中，使用初始的环状复合物(右)或将扭矩施加到分离的蛋白质成员(左)实现了螺旋线圈区域的编织。蛋白质成员用蓝色和红色表示。插图:Dana k击退
“DNA物理学的关键思想之一是，DNA通过改变盘绕程度和拓扑结构来运作，”他说。“嗯，编织是一种拓扑特征。我们认为，我们发现蛋白质的拓扑结构可以与DNA的拓扑结构相互作用，就像纺车上相互缠绕的线一样。”
k击退注意到SMC蛋白带正电荷，DNA带负电荷。“我们正在研究这些正电荷和负电荷是如何相互作用的，”她说。
“很明显，线圈几乎肯定会利用这些电荷模式在DNA周围缠绕，”Wolynes说。
这张由莱斯大学的科学家基于计算模型的插图显示了盘绕的线圈与DNA的相互作用。螺旋线圈不仅仅是被动的参与者，它还具有与DNA匹配的电荷模式，当线圈受到外力扭曲时，DNA就会发生弯曲。莱斯大学的研究人员认为，这似乎是DNA挤压过程的起点。内聚蛋白复合物及其带电模式分别为灰色和蓝色。DNA是红色的。插图:Dana k击退
该项目代表了该团队建模技术的最大挑战之一，在这种情况下，它结合了相关蛋白序列的协同进化的直接耦合分析(DCA)和决定其形式和功能的蛋白内原子力。
为了完成进化线索较少的结构，研究小组使用由Wolynes和同事开发的AWSEM算法，从蛋白质中原子力的粗糙子集来确定完整的折叠功能结构。
在这项研究中，研究小组观察了含有1100到1300个残基的凝聚蛋白和内聚蛋白结构。“与我们之前研究的蛋白质相比，这些蛋白质是巨大的，”Wolynes说。
Onuchic说，由于尺寸太大，需要扩大工具集。“一篇最初的论文开发了这些工具，但只是为了浓缩细菌，”他说。“利用同样的DCA方法和基于结构的模拟，我们现在正在研究凝缩和内聚蛋白在人体中的表现。
Onuchic说:“使用这种方法，我们可以预测结构，但是要了解它们的动力学细节需要真实的力场。”“因此，从最初预测的结构开始，我们进行了AWSEM模拟。这些模拟揭示了编织。”
这些模型进一步表明，结合DNA的atp酶马达可以转动辫子。
“我们仍在猜测细节，但我们认为，当两个马达都在扭转，将DNA挤压成回路，一个解扭，另一个向上扭转时，套索可能会将线圈的扭转转化为围绕DNA的扭转，”Wolynes说。“线圈不是被动地挂在那里。他们在这个过程中的参与度比我们想象的要高得多。”
下一步，他说，将是测试一个更大的系统，用两股DNA，一个更现实的表现，看看扭转作用是否成立。这一努力将是CTBP更大研究的一部分，旨在将其蛋白质折叠理论扩展到更大的染色体动力学问题。研究人员指出，这将是该中心未来工作的主要目标之一。
Wolynes说:“这种分子及其在DNA中形成环状的方式是我们在染色体上进行的许多研究项目的重要组成部分。”“有相当多的疾病是由染色体紊乱引起的，我们希望更好地理解染色体形成的机制。”
水稻研究人员Aram Davtyan和Nicholas Schafer是这篇论文的合著者。Wolynes是r . r . bulld – welch基金会的科学教授，是莱斯大学的化学、生物科学、物理和天文学以及材料科学和纳米工程的教授。Onuchic是Harry C.和Olga K. Wiess物理系主任，物理和天文学教授，化学和生物科学教授。两人都是由国家科学基金会资助的CTBP的联合董事。
国家科学基金会、韦尔奇基金会和以色列高等教育委员会支持了这项研究。
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