除使用三磷酸腺苷的“环挤出”外，阐明无需能量的“搭桥”机制
从酵母到人类均存在……提出新的染色体组织化原理
将一个人体细胞中的DNA拉直后，长度约达2米。这些超长DNA能够精密折叠并装入直径仅约10微米的细胞核中，其背后的另一项原理现已被揭示。不同于利用能量在DNA上形成环状结构的既有方式，蛋白质会在DNA之间“搭桥”，将多条DNA聚集在一起。
首尔大学10日表示，由物理与天文学系教授Ryu Jegyeong和计算科学协同课程研究员Jang Jaewon领衔的研究团队，与英国弗朗西斯·克里克研究所、荷兰代尔夫特理工大学、日本京都大学及韩国科学技术院研究人员开展国际合作研究，阐明了真核生物中普遍保留的一种新型染色体组织化原理。研究员Jang和教授Ryu共同担任第一作者，教授Ryu还担任通讯作者。研究成果发表于国际学术期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）。
DNA如何折叠，并非只是将冗长遗传物质塞入狭小空间的问题。DNA上相距甚远的基因及其调控区域可通过折叠彼此接触，从而使基因开启或关闭。一旦这种结构出现异常，基因调控便会失衡，并可能引发发育疾病或癌症。
在染色体折叠过程中发挥关键作用的是以黏连蛋白和凝缩蛋白为代表的“SMC蛋白复合体”。过去10年间，SMC的主要作用机制一直被解释为“环挤出”：以三磷酸腺苷为能源牵拉DNA，使环状结构逐渐扩大。
但仅凭这一机制，仍难以完全解释多个DNA环重叠聚集于同一位置，或分裂期染色体短而紧密地凝缩的现象。
无需三磷酸腺苷也能聚集DNA……发现“搭桥”机制
研究团队利用单分子荧光成像，观察了从出芽酵母、裂殖酵母和人类中获取的黏连蛋白、凝缩蛋白等4类SMC复合体。结果显示，4类复合体即使没有三磷酸腺苷，也能将DNA聚集于一处并形成凝聚体。以人类黏连蛋白为例，无论是否存在三磷酸腺苷，均可在约22秒内完成聚集。
原子力显微镜观察结果还捕捉到，一个黏连蛋白分子同时抓住两条DNA链的情形。一个蛋白质在彼此分离的DNA之间“搭桥”，周边DNA因此聚集后又形成新的桥梁；这一过程不断重复，凝聚体便逐渐增大。研究团队将其解释为“桥接诱导相分离”。
在人类细胞中，也确认了支持这一机制的现象。通过超分辨率显微镜观察发现，黏连蛋白并未均匀分散于整个细胞核内，而是形成直径约90纳米的团簇。在高分辨率染色体接触图谱，即微球菌核酸酶染色体构象捕获技术中，还观察到一个染色体区域内有15至25个DNA环重叠的结构。
据此，研究团队提出，SMC蛋白通过同时利用依赖三磷酸腺苷的“环挤出”机制，以及无需额外消耗能量的“搭桥聚集”机制，对染色体进行组织化。尤其是从酵母到人类均确认了相同现象，表明这可能是一种在真核生物中广泛保留的染色体组织化方式。
预计这项研究还将为理解与黏连蛋白及凝缩蛋白异常相关的先天性发育疾病和癌症的分子发生机制提供线索。
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