Nature发现染色体的奥秘：惊人的DNA张力作用

在我们的细胞核中，两种蛋白质复合物对染色体的空间组织起着主要的作用。DNA张力在其中起着令人惊讶的作用。代尔夫特理工大学纳米科学家Cees Dekker和他的博士生Roman Barth，在4月19日的《自然》杂志上发表了他们如何将这一细节可视化的详细过程。

图片来源：Cees Dekker实验室

1、Cohesin loops DNA

一个多世纪以来，人们已经知道，细胞核中的长DNA链整齐地折叠成染色体的特征形状，形状类似于瓶刷，这为细胞分裂做准备。在分裂过程之间，染色体会被组织成环，这对调节遗传信息的处理很重要。2018年，Dekker和他的团队首次看到了SMC蛋白复合物(如凝聚蛋白condensin和黏连蛋白cohesin)如何在DNA中挤出环。

2、CTCF flags

研究发现，DNA结合蛋白CTCF在基因组环的定位中起关键作用。Dekker说:“如果你把DNA想象成一根绳子，CTCF就像是被固定在两个点上，内聚蛋白将一个旗子连接到另一个旗子，但前提是CTCF的方向正确。CTCF蛋白只有一侧能够与黏连蛋白相互作用。然而，它并不总能做到，因此我们认为CTCF也会经常失败。但现在我们已经测量过了，这两种蛋白质之间的相互作用比我们预测的要微妙得多。”

博士生Roman Barth说，CTCF和黏结蛋白共同建立环边界，这已经成为该领域的基本知识，“在过去一年我参加的每次会议演讲中，基本前提是黏连蛋白复合物在正确定向的CTCF分子之间挤出环路。但没有人详细了解这是如何发生的。我们现在已经能够直观地看到它的本质。”

3、DNA张力在其中起着令人惊讶的作用

维也纳分子病理学研究所Jan-Michael Peters小组的同事成功地制造出了纯净形式的蛋白质：DNA分子的两端附着在一个表面上，DNA和蛋白质用荧光染料染色。

Dekker解释说，研究人员随后有了一个不寻常的发现。在数据中，Roman发现DNA链是非常松散还是处于紧张状态的，这是有区别的。在没有张力的情况下，即使定向正确，黏连蛋白也经常忽略CTCF标记，但当DNA处于更大张力时，CTCF作为一个完美的屏障。因此，在DNA张力的影响下，CTCF就像一个智能交通灯，根据当地的交通情况，允许黏连蛋白通过或不通过。”

当黏连蛋白与CTCF蛋白发生碰撞时，它可以停止也可以继续。研究人员发现，它还可以掉头，甚至完全溶解。如何以及为什么会发生这种情况是Dekker希望回答的下一个问题。

CTCF is a DNA-tension-dependent barrier to cohesin-mediated loop extrusion

作者简介：

Cees Dekker，现任荷兰皇家艺术和科学院院士，荷兰代尔夫特工业大学生物纳米科学系杰出大学教授。Cees Dekker教授在碳纳米管和纳米生物学等纳米科学领域均做出了重大贡献。Dekker教授早年为固态物理学做出了重要贡献之后，在1990年代他对纳米技术又做出了开创性贡献。其中他在碳纳米管方向的工作成为了纳米技术新兴领域的典范。Dekker教授他实现了有史以来首个可以在室温下运行的单分子晶体管，并且碳纳米管作为单分子量子线的电子特性的发现被广泛认为是开创性的突破。从2000年开始，Dekker教授在纳米生物学领域开创了先河，例如他对单分子生物物理学和用于DNA测序的纳米孔的研究。Cees Dekker教授在整个职业生涯中都是开拓新领域的先驱，他已成为纳米领域全球领军人物之一