科学家揭开DNA复制背后的神秘面纱

生命分子扭曲了。但是，DNA的双螺旋中那些熟悉的链如何成功地复制而不会被缠结，却很难被破译。康奈尔大学物理学家的新观点正在帮助揭开这个谜团。

研究人员从拓扑学角度解决了这个问题，询问螺旋形状本身对DNA复制有何影响。他们使用构成绝大多数生物的真核生物作为模型系统，发现染色质(DNA和蛋白质的复合物)的内在机械性能决定了染色质纤维如何缠绕。

这种拓扑结构对于成功分离新复制的DNA至关重要：如果纤维扭曲得太紧太早，则在细胞分裂过程中分子将无法正确分离。

文理学院首席教授，霍华德·休斯医学研究所研究员霍华德·休斯说：“这项研究突出了物理原理在基本生物学过程中的重要性。”

论文“染色质扭转力学与拓扑异构酶活性的协同作用”于10月17日在Cell中发表。

在DNA复制过程中(复制体分裂两条DNA链并向前移动)，DNA也必须绕螺旋轴扭曲。这会使DNA承受很大的扭转应力，从而导致DNA发生额外的扭曲。

问题：额外的扭曲在哪里?如果额外的扭曲仅发生在复制体的前面，那么两个子DNA分子将不会纠缠在一起，因此它们可以分开。但是，如果多余的扭曲转移到复制体的背面，则两个子DNA分子将纠缠在一起，无法分开。这将为细胞分裂过程中的染色体分离创造一个主要问题，这可能导致DNA损伤并导致细胞死亡或癌症。

研究人员发现，加捻单条染色质纤维比加捻双条纤维要容易得多。这意味着多余的扭曲将优先到达前面，从而最小化两个子DNA分子的缠绕。

Wang说：“尽管染色质通常被认为是复制的障碍，但我们的结果表明，染色质还简化了复制拓扑结构，从而促进了复制动态。我们认为这是非常了不起的。”

在一个单独的实验中，研究人员发现，一种能解开DNA的酶(拓扑异构酶II)强烈偏爱正面的单个染色质纤维。染色质力学和拓扑异构酶活性似乎以协同方式协调，以减少子链的缠绕。

为了了解染色质的机械行为，研究人员不得不创造新的处理方式。由于任务的复杂性，以前尚未尝试创建编织染色质纤维的基底。Wang和她的团队使用了她的小组先前开发的角向光阱工具，以及其他方法来创建和处理染色质纤维的单层和编织层，从而使他们能够检查其扭转机械性能。