李雪梅/饒子和/陳瑜濤合作最新Science子刊

IIA型拓?fù)洚悩?gòu)酶通過協(xié)同切割門控DNA片段與轉(zhuǎn)運(yùn)DNA片段穿行來調(diào)控DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——這一機(jī)制在物種間高度保守，并對(duì)多種細(xì)胞過程至關(guān)重要。盡管門控片段交互作用已得到廣泛研究，但轉(zhuǎn)運(yùn)片段捕獲的直接結(jié)構(gòu)證據(jù)一直難以獲得，限制了對(duì)完整催化循環(huán)的理解。

2025年12月17日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所李雪梅，饒子和和陳瑜濤共同通訊在Science Advances在線發(fā)表題為“Direct trapping of the transport-segment DNA by the central domain of type IIA topoisomerases”的研究論文。該研究報(bào)道了T4噬菌體II型拓?fù)洚悩?gòu)酶與轉(zhuǎn)運(yùn)DNA片段直接結(jié)合于其中心結(jié)構(gòu)域的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)揭示了中心結(jié)構(gòu)域?yàn)槿菁{轉(zhuǎn)運(yùn)DNA片段而發(fā)生的構(gòu)象重排，提示了一種可能的事件序列：酶沿松散結(jié)合并重新連接的門控片段滑動(dòng)，可能先于轉(zhuǎn)運(yùn)片段穿過卷曲螺旋門。通過突變與生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本研究提供了前所未有的機(jī)制見解，并為開發(fā)新一代IIA型拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑開辟了潛在途徑。

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組和染色體分離等關(guān)鍵細(xì)胞過程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生拓?fù)鋵W(xué)挑戰(zhàn)——如超螺旋、打結(jié)和纏結(jié)。若這些約束無法解除，將導(dǎo)致細(xì)胞死亡。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶分為I型和II型，是一類通過短暫切斷DNA骨架來解除這些拓?fù)鋯栴}的專用酶。I型拓?fù)洚悩?gòu)酶通過產(chǎn)生單鏈斷裂來松弛超螺旋DNA，從而實(shí)現(xiàn)鏈的旋轉(zhuǎn)或穿行。相比之下，II型拓?fù)洚悩?gòu)酶在門控DNA片段（G-DNA）上引入雙鏈斷裂，以允許第二個(gè)DNA雙鏈體（稱為轉(zhuǎn)運(yùn)DNA片段，T-DNA）通過。這些酶能夠去除或引入超螺旋（例如DNA旋轉(zhuǎn)酶），并解開DNA結(jié)和連環(huán)體。

根據(jù)遺傳和結(jié)構(gòu)特征，II型拓?fù)洚悩?gòu)酶進(jìn)一步分為IIA型和IIB型。細(xì)菌編碼兩種IIA型酶：DNA旋轉(zhuǎn)酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV。真核生物編碼一種IIA型酶，即拓?fù)洚悩?gòu)酶II（Topo II），其中脊椎動(dòng)物表達(dá)兩種亞型——Topo IIα和Topo IIβ。此外，一些噬菌體和核質(zhì)大DNA病毒，包括T偶數(shù)噬菌體和非洲豬瘟病毒（ASFV），也編碼其自身版本的IIA型拓?fù)洚悩?gòu)酶。IIB型拓?fù)洚悩?gòu)酶，如拓?fù)洚悩?gòu)酶VI，存在于古菌和植物中，與IIA型酶的結(jié)構(gòu)相似性有限。

所有IIA型拓?fù)洚悩?gòu)酶均具有保守的雙結(jié)構(gòu)域架構(gòu)。N端三磷酸腺苷酶（ATPase）結(jié)構(gòu)域結(jié)合并水解三磷酸腺苷（ATP），以驅(qū)動(dòng)催化所需的構(gòu)象變化。中央DNA結(jié)合/切割結(jié)構(gòu)域（下文簡(jiǎn)稱中央結(jié)構(gòu)域）結(jié)合并切割G-DNA，從而實(shí)現(xiàn)T-DNA的穿行。真核和原核Topo II還具有具有調(diào)控作用的額外C端結(jié)構(gòu)域，而病毒拓?fù)洚悩?gòu)酶通常僅包含ATPase和中央結(jié)構(gòu)域，這使其成為機(jī)制研究的簡(jiǎn)化模型。在最近的一項(xiàng)研究中，作者報(bào)道了T偶數(shù)噬菌體Topo II的幾種構(gòu)象狀態(tài)，揭示了T4/6酶中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)域組成以及G-DNA異步切割的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

模式機(jī)理圖（圖片源自Science Advances）

盡管ATPase和中央結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為在鏈穿行過程中均與T-DNA結(jié)合，但結(jié)構(gòu)研究主要集中于G-DNA。捕獲T-DNA的直接結(jié)構(gòu)證據(jù)一直有限。2018年，Laponogov等人報(bào)道了肺炎鏈球菌（以下簡(jiǎn)稱S. pneumoniae）拓?fù)洚悩?gòu)酶IV的ATPase結(jié)構(gòu)域與T-DNA雙鏈體結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)，首次提供了捕獲T-DNA的直接證據(jù)。最近的一項(xiàng)ASFV Topo II晶體結(jié)構(gòu)顯示，中央結(jié)構(gòu)域利用一個(gè)短DNA雙鏈體同時(shí)結(jié)合了G-DNA和T-DNA。然而，該結(jié)構(gòu)與G-DNA結(jié)合狀態(tài)相比未顯示出顯著的構(gòu)象變化，限制了對(duì)T-DNA轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)態(tài)特性的深入理解。

在本研究中，作者報(bào)道了T4噬菌體Topo II中央結(jié)構(gòu)域與T-DNA結(jié)合的一個(gè)先前未確定的冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）結(jié)構(gòu)。觀察到的構(gòu)象更類似于非結(jié)合狀態(tài)，而非G-DNA結(jié)合狀態(tài)。結(jié)合與松散結(jié)合的G-DNA一致的可區(qū)分密度，作者提出了一個(gè)替代模型：在T-DNA穿過卷曲螺旋門（C門）之前，G-DNA已被連接，且酶沿著松散結(jié)合的G-DNA滑動(dòng)。突變分析表明，C門中的殘基Arg375對(duì)T-DNA鏈的穿行至關(guān)重要。此外，G-DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)揭示了兩個(gè)催化中心之間的不對(duì)稱性，支持了作者之前的發(fā)現(xiàn)以及近期關(guān)于G-DNA異步切割的觀察結(jié)果。總之，作者的研究結(jié)果為理解T-DNA轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制提供了新見解，并為設(shè)計(jì)新型IIA型拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑提供了策略依據(jù)。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw2839