細胞中的DNA相當於盤子上纏繞在一起的意大利麵條。為了能夠在細胞分裂時將DNA在兩個子細胞之間整齊地分割，細胞將纏繞在一起的DNA組裝成緊密的染色體。眾所周知，一種名為凝縮蛋白（condensin）的蛋白複合物在這一過程中扮演著關鍵的角色，但生物學家們並不清楚它到底是如何起作用的。2018年2月，來自荷蘭代爾夫特理工大學和德國海德堡大學的研究人員實時地揭示出凝縮蛋白在DNA上擠壓出一個環形結構。
圖片來自Delft University of Technology
如今，在一項新的研究中，這些研究人員發現這絕不是凝縮蛋白包裹DNA的唯一方式。他們發現了一種全新的環形結構，他們稱之為Z環（Z loop）。他們首次證實凝縮蛋白彼此間會相互作用，將DNA摺疊成鋸齒形結構（zigzag structure）。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為“DNA-loop extruding condensin complexes can traverse one another”。
不僅僅是環形結構
論文第一作者、代爾夫特理工大學博士後研究員Eugene Kim博士說，“這項研究開始於一個問題，即DNA是否可以通過單個環形結構摺疊成緊湊的染色體，或者說是否有更多的環形結構。我們希望能同時觀察到多個凝縮蛋白。在實驗中，我們發現了一種有趣的新形式的摺疊DNA，它明顯不同於單個環形結構，而且出人意料的是，它的出現頻率也比單個環形結構多得多。我們通過實驗弄清楚了DNA摺疊成一種鋸齒形結構。我們將這種鋸齒形結構命名為Z環，這是因為DNA摺疊成字母Z的形式。”
這些研究人員主要是出於好奇心，對這種鋸齒形結構進行了研究。Kim 說，“這根本是預測不到的。我們當時就想知道：這樣的結構是如何由兩個凝縮蛋白構成的，其背後的分子機制是什麼？”
通過凝縮蛋白相互作用導致DNA形成鋸齒形結構
論文通訊作者、代爾夫特理工大學的Cees Dekker教授解釋道，“當一個凝縮蛋白著陸在DNA上並形成單個環形結構時，Z形結構的產生就開始了。隨後，第二個凝縮蛋白在這個環形結構內結合，開始製造出自己的環形結構，從而在一個環形結構中又形成了一個環形結構。當這兩個凝縮蛋白在拔河比賽中相遇時，令人驚訝的事情發生了。第二個凝縮蛋白跳過第一個凝縮蛋白，抓住環形結構外的DNA，繼續沿著DNA前進。我們非常驚奇地發現，凝縮蛋白可以互相通過。這與目前的模型完全不一致，這是因為目前的模型認為凝縮蛋白在相遇時會相互阻隔。”
觀察到凝縮蛋白在工作
在細胞中，DNA是如此複雜的纏繞物，要分離和研究這種環擠壓（loop extrusion）過程非常困難。因此，這些研究人員在玻璃板上可視化觀察一個DNA分子中的環形結構形成。他們將DNA分子的兩端附著在玻璃板的表面上，並將熒光標籤附著到DNA和凝縮蛋白上。然後通過在液體中施加垂直於DNA分子的流動，他們就能夠讓DNA呈U形，並將它置於顯微鏡下進行成像。
醫學上的意義
這項研究是對DNA的基本認識的重要一步。它還具有醫學意義。凝縮蛋白所屬的蛋白家族---SMC蛋白---存在的功能缺陷與德朗熱綜合徵（Cornelia de Lange Syndrome）等遺傳性疾病有關。在細胞分裂過程中，凝縮蛋白在組裝染色體的過程中也是至關重要的；這個過程中出現的錯誤會導致癌症。更好地瞭解它的基本分子作用機制對於尋找嚴重疾病的分子起源至關重要。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1.Eugene Kim et al. DNA-loop extruding condensin complexes can traverse one another. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2067-5.
2.Condensins mutually interact to fold DNA into a zigzag structure
https://phys.org/news/2020-03-condensins-mutually-interact-dna-zigzag.html
