Science：人黏連蛋白通過DNA環擠壓折疊基因組機制被揭示

　　為了將大約兩米長的人DNA攜帶的遺傳信息包裝到細胞核中，人細胞所要完成的工作相當于將80公里長的線放入一個足球大小的球體中。早在1882年，德國生物學家Walther Flemming便通過顯微鏡進行了觀察，發現了有關這種包裝是如何實現的線索。他當時觀察到位于卵細胞細胞核內的DNA環，這讓他想起了那個時代用于清潔煤氣燈的刷子，于是他就將這些結構命名燈刷染色體（lampbrush chromosome），卻不知道它們是什么，也不知道它們有什么用途。

圖片來自Cees Dekker Lab TU Delft/Scixel。

　　人們花了幾十年的時間才將燈刷染色體識別為DNA鏈整齊地折疊而形成的DNA環（loop），而且花了更長的時間才意識到DNA在所有細胞中始終被折疊成這樣的結構；直到2019年，人們才發現這種折疊是如何實現的。

　　在一項新的研究中，奧地利維也納生物中心分子病理學研究所（IMP）主任Jan-Michael Peters及其團隊首次證實一種分子機器通過“環擠壓（loop extrusion）”主動地和有目的地折疊DNA，從而在間期細胞中實現了多種重要功能。這種針對DNA成環（DNA looping，即形成DNA環）過程提出的新見解改變了關于基因組如何在細胞內組裝的舊觀點。這一發現闡明了生命的基本機制，并解決了長達十年的科學爭端。相關研究結果于2019年11月21日在線發表在Science期刊上，論文標題為“DNA loop extrusion by human cohesin”。

　　從進化論的古老性來看，DNA環形成的過程既不是隨機的也不是任意的。從細菌到人類，所有生物的細胞都具有這種功能。這種折疊機制的原始功能尚不清楚，我們可能永遠也找不出來，但是近年來發現了一些重要的功能。通過形成DNA環，DNA大分子上相隔較遠的區域變得非常接近并能夠相互作用。這種物理接觸在基因調控中起著重要作用，在基因調控中，稱為增強子的DNA片段影響哪些基因是活躍的。DNA環形成對于免疫細胞產生各種抗體的能力也是必不可少的。

　　關于這些DNA環如何被保持在適當位置上的想法起源自IMP Peters實驗室前博士后研究員Kerstin Wendt的研究工作。2008年，她的研究結果已提示著蛋白復合物黏連蛋白（cohesin）完成了DNA環形成。10年前，IMP科學家Kim Nasmyth的實驗室鑒定出黏連蛋白是一種分子膠（molecular glue），可在有絲分裂早期將姐妹染色單體保持在一起，Nasmyth最近也因這一發現獲得2020年科學突破獎（Breakthrough Prize）。黏連蛋白通常呈環狀結構（ring-shaped），被認為像鉤環（carabiner）一樣夾在DNA上。

黏連蛋白分子積極地將單個DNA片段擠壓成DNA環，Science, 2019, doi:10.1126/science.aaz3418。

　　長期以來，這種DNA折疊狀態一直被認為是一種靜態構型，黏連蛋白分子的作用非常類似于窗簾桿上的環，可滑動到DNA上而不與它結合。關于如何形成DNA環的想法來自包括麻省理工學院物理學家Leonid Mirny在內的幾位科學家。Mirny提出黏連蛋白最初會形成微小的DNA環，然后會逐漸變大，直到在這種“擠壓”過程中，黏連蛋白被確定這些環錨定位置的DNA的邊界阻止。然而，這種環擠壓假說與當時也已建立的DNA是靜態的和黏連蛋白在它的周圍形成被動環狀結構的觀點完全不同，因此許多生物學家對此表示懷疑。正是由于論文第一作者、Peters實驗室資深博士后研究員Iain Davidson和他的同事們的聰明才智和費時費力的實驗，這一爭議如今才得以解決。

　　Peters團隊（包括Davidson）能夠在體外的一種簡化系統中重建黏連蛋白的功能。因此，Davidson能夠觀察到單個黏連蛋白分子如何將DNA的單個片段快速地擠壓成DNA環，就像Mirny和其他人所假定的那樣。他的發現影響深遠，并以多種方式改變了對基因組的整體認識：

　　（1）基因組不是靜態的，而是高度動態的結構。

　　（2）基因組DNA的折疊是一種受到主動調節的過程，它涉及通過擠壓讓DNA分子成環，并且許多DNA環在不斷運動。

　　（3）這種DNA成環是由黏連蛋白介導的，因此黏連蛋白必須是一種分子馬達，類似于諸如肌球蛋白之類的其他馬達蛋白。

　　（4）黏連蛋白分子在DNA周圍形成鉤環狀的環狀結構，而且還必須通過多個結合位點動態連接到DNA上，這樣才能夠折疊DNA。正如去年所發現的那樣，凝縮蛋白（condensin）也必須如此。

　　Peters說，“這是一次真正的范式轉變。早期的觀察結果給了我們一些提示，但是Davidson領導的這項新的研究如今就證實這一點。在我的科學生涯中，很少有其他的發現像這個發現一樣意義深遠。”

　　與有關基因組的其他基本發現---比如DNA半保留復制和DNA通過同源重組進行重排---一樣，這些發現有望很快成為教科書知識。對于IMP研究人員而言，下一個要解決的重要問題是黏連蛋白如何與DNA精確結合，然后它如何移動DNA以使得它折疊成DNA環，以及這個過程如何受到控制。他們已發現一種稱為NIPBL-MAU2的蛋白復合物，對于黏連蛋白的運動功能至關重要，而不僅僅是像以前認為的那樣，將黏連蛋白加載到DNA上。

　　Davidson,說：“我們如今可以使用我們的設備進一步放大這種復雜的DNA成環分子過程。闡明這一機制也可能有助于我們理解為什么某些人類疾病是由黏連蛋白發生的突變引起的。”