生物谷：基因復(fù)制過程神秘而復(fù)雜,，參與的“演員”都多才多藝，而且能夠近距離與其它“演員”默契配合,，解鏈酶（helicase）便是其中的一位重量級(jí)演員,。解鏈酶的作用是解開緊密纏繞的核酸鏈，以便聚合酶（polymerase）能夠忠實(shí)復(fù)制每個(gè)核苷,。
來自耶魯大學(xué),、伊利諾斯州立大學(xué)和霍華德醫(yī)學(xué)研究所的研究人員利用伊利諾斯大學(xué)研制的一種跟蹤單個(gè)RNA或DNA分子解鏈過程的技術(shù)，研究丙型肝炎病毒解鏈酶的作用,。詳細(xì)內(nèi)容刊登于近期Science雜志,。
弄清復(fù)制的潛在機(jī)制并非易事。結(jié)構(gòu)學(xué)研究涉及到結(jié)晶DNA－蛋白復(fù)合體,，觀察它們作用的方式,；生化學(xué)家著眼于反應(yīng)的試劑，使用的能量以及各階段的時(shí)間,。這種研究同時(shí)測(cè)量成千上萬個(gè)分子的行為，描述反應(yīng)的全部參與者,。
利用單分子熒光分析技術(shù),，研究小組跟蹤丙型肝炎病毒解鏈酶NS3解開雙鏈區(qū)有熒光標(biāo)簽的雙鏈DNA分子。（NS3解鏈酶起初與肝炎病毒單鏈RNA放松有關(guān),，但也能夠作用于DNA,，說明這種解鏈酶在感染過程中，可能參與了解開宿主雙鏈DNA的工作,。）
隨著雙鏈分離,，通過跟蹤兩個(gè)被標(biāo)記的核苷之間越來越遠(yuǎn)的距離，研究人員能夠測(cè)量解鏈速度,。他們發(fā)現(xiàn)DNA解鏈位點(diǎn)是離散跳躍的：三個(gè)核苷對(duì)（堿基對(duì)）在解鏈之前彼此放松,。“好像對(duì)彈簧施加張力，”研究人員Taekjip Ha說,，“你為彈簧加上小的機(jī)械運(yùn)動(dòng),，直到DNA-蛋白復(fù)合體上聚集了引發(fā)三堿基對(duì)快速解鏈所需的足夠張力。”
這種反應(yīng)是強(qiáng)烈的,，需要三磷酸腺苷ATP（細(xì)胞能源）,。研究結(jié)果顯示每個(gè)解鏈反應(yīng)需要消耗三個(gè)ATP分子，提示三個(gè)“隱藏步驟”每個(gè)解開一個(gè)堿基對(duì),。
盡管一個(gè)ATP所含的能量能夠解開10個(gè)堿基對(duì),，但研究人員對(duì)這種高耗能反應(yīng)并不感到奇怪。“復(fù)制過程中,，解鏈酶與聚合酶手挽手,，因此解鏈酶一次作用于一對(duì)堿基很合理,，”研究小組帶頭人Sua Myong說，“這非常成體系,，一個(gè)堿基對(duì)移動(dòng)有助于聚合酶精確拷貝基因,，每次拷貝一個(gè)堿基。”
解鏈酶也要繞過一系列障礙：與復(fù)制有關(guān)的蛋白和其它輔助因子,，這需要額外的能量,。他將NS3解鏈酶對(duì)能量的需求比作運(yùn)載車的運(yùn)動(dòng)對(duì)能量的需求，發(fā)展一種低耗能的發(fā)動(dòng)機(jī)是有意義的,，因?yàn)樾枰~外的能量完成額外的工作,。
Myong注意到,NS3是病毒基因組中唯一的解鏈酶，也屬于四大解鏈酶超家族,，因此新發(fā)現(xiàn)具有普遍意義,。
原始出處:
Science 27 July 2007:
Vol. 317. no. 5837, pp. 513 - 516
DOI: 10.1126/science.1144130
Spring-Loaded Mechanism of DNA Unwinding by Hepatitis C Virus NS3 Helicase
Sua Myong,1,2* Michael M. Bruno,3,4 Anna M. Pyle,3,4 Taekjip Ha1,2,4
NS3, an essential helicase for replication of hepatitis C virus, is a model enzyme for investigating helicase function. Using single-molecule fluorescence analysis, we showed that NS3 unwinds DNA in discrete steps of about three base pairs (bp). Dwell time analysis indicated that about three hidden steps are required before a 3-bp step is taken. Taking into account the available structural data, we propose a spring-loaded mechanism in which several steps of one nucleotide per adenosine triphosphate molecule accumulate tension on the protein-DNA complex, which is relieved periodically via a burst of 3-bp unwinding. NS3 appears to shelter the displaced strand during unwinding, and, upon encountering a barrier or after unwinding >18 bp, it snaps or slips backward rapidly and repeats unwinding many times in succession. Such repetitive unwinding behavior over a short stretch of duplex may help to keep secondary structures resolved during viral genome replication.
1 Physics Department, University of Illinois, 1110 West Green Street, Urbana, IL 61801, USA.
2 Institute for Genomic Biology, University of Illinois, 1206 West Gregory Drive, Urbana, IL 61801, USA.
3 Molecular Biophysics and Biochemistry, Yale University, 266 Whitney Avenue, Room 334A, Bass Building, New Haven, CT 06511, USA.
4 Howard Hughes Medical Institute.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]
