看清DNA复制的“第一步”！《自然》新研究颠覆传统观点

学术经纬

2025-03-26 10:00发布于江苏药明康德旗下药明在线官方账号

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1.《自然》杂志上发表了一项研究，揭示了猿猴病毒40(SV40)LTag解旋酶在DNA复制过程中的结构动态。

2.研究发现，LTag解旋酶通过一种特殊的熵变开关机制推动DNA解旋，而非直接驱动DNA运动。

3.该研究在原子层面揭示了DNA、解旋酶、ATP之间的相互作用，以及三者如何协同促成了DNA螺旋解开。

4.除此之外，这项研究还发现病毒E1解旋酶、细菌DnaB解旋酶也存在类似的工作机制，为开发新的抗病毒、抗菌药物提供了重要的理论基础。

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▎药明康德内容团队编辑

DNA复制是细胞分裂的关键步骤，也是生命体生存与繁殖不可或缺的基础过程。我们都知道DNA有两条互补的链，它会以一种双螺旋的形式存在，各种化学键会负责维持稳定的螺旋结构。因此，DNA想要实现复制，第一步就是要解开螺旋结构，让双链DNA变成单链DNA。

科学家们早已发现，这个重任主要由六聚体的解旋酶完成。在DNA复制过程中，解旋酶能够快速解开双链DNA，为复制酶提供单链模板，确保遗传信息的准确传递；在DNA重组过程中，解旋酶会帮助DNA分子进行结构重组，促进基因的多样性和适应性。然而，这个看似机械的过程却隐藏着诸多未解之谜，比如解旋酶如何选择切入点？ATP如何帮助解旋过程？

图片来源：123RF

近期，《自然》杂志上的一项研究成功解答了上述问题。研究者借助冷冻电镜（cryo-EM）技术，揭示了猿猴病毒40（SV40）LTag解旋酶在DNA复制过程中的结构动态。研究在原子层面揭示了DNA、解旋酶、ATP之间的相互作用，以及三者如何协同促成了DNA螺旋解开。这是迄今为止科学家对DNA复制第一步最细节的描述，代表着解旋酶研究的一个全新里程碑。

在这项研究中，研究人员首先利用冷冻电镜技术，捕捉到了LTag解旋酶在DNA复制过程中的多个构象状态。随后他们通过连续异质性分析（continuous heterogeneity analysis），成功解析了LTag在催化条件下与叉状DNA结合的构象景观，以及DNA移位和解旋的协调运动。

首先来看，LTag由两个层级组成（N层和C层），会形成对称的六聚体环状结构。N层负责稳定整个分子，C层的ATP活性区域则是驱动DNA移动的核心引擎。在复制起点，LTag以"头对头"的二聚体形式组装，同时在两个对称位点切割DNA，形成双向复制叉。每个解旋酶六聚体通过六个DNA结合环抓住单链DNA。

▲LTag解旋酶结构示意图（图片来源：原始论文[1]）

在DNA结合环插入DNA双链后，LTag会断开DNA双链间的氢键。通常来说，复制起点会选择在一个富含A-T碱基对的区域。这些区域的碱基间作用力较弱，是复制起始的理想起点。

更加值得关注的是，研究发现了一种特殊的ATP驱动方式——熵变开关（entropy switch），它会通过移除DNA链上的移位障碍，而非直接驱动DNA运动来实现解旋。这也颠覆了传统观点认为ATP水解直接为DNA解旋提供动力的认知。

具体来说，当ATP水解发生时，位于解旋酶顶部的亚基之间的界面会从ATP型转变为ADP型，这种转变导致了C层相对于N层的旋转，从而推动DNA沿着解旋酶通道移动。这一过程类似于一种“棘轮”机制，使得DNA能够逐步地通过解旋酶并实现解旋。由于该机制通过改变蛋白质构象的有序度来释放储存的弹性势能，可以帮助减少能量浪费，提高解旋酶催化效率。

▲ATP水解能够以“熵变开关”的形式推动解旋过程发生（图片来源：原始论文[1]）

研究通讯作者Alfredo De Biasio教授表示：“从设计角度来看，解旋酶是节能机械系统的典范。这种利用熵变开关设计的纳米机器可以用节能机制执行驱动任务。”

新研究不仅在分子水平上揭示了解旋酶的结构和功能，还为理解DNA复制第一步提供了重要的信息。此外，这项研究还发现病毒E1解旋酶、细菌DnaB解旋酶都存在类似的工作机制，这也为开发新的抗病毒、抗菌药物提供了重要的理论基础。

参考资料：

[1] Shahid, T., Danazumi, A.U., Tehseen, M. et al. Structural dynamics of DNA unwinding by a replicative helicase. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08766-w

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