金泽大学研究：科学家发现环状蛋白如何捕获并聚拢DNA链

高速纳米成像揭示一种蛋白结构如何改变形状，以更紧密地捕获并压缩DNA。

日本金泽大学和国立遗传学研究所的研究人员使用高速原子力显微镜，观察了被称为Smc5/6的一组蛋白如何与DNA相互作用。图像显示，这一结构如何打开和关闭、捕获DNA，并将分离的片段拉到一起。研究人员还观察到，Smc5/6会将扭曲的DNA片段固定在原位，从而形成更紧密的排列。研究结果为维持和修复遗传物质的分子过程提供了新的认识。

观察蛋白结构如何改变形状

每个活细胞都必须保护并维持自身的DNA。这种遗传物质包含生命所需的指令，但它会不断受到可能损伤其结构的压力。细胞分裂时，DNA也必须被准确复制。为完成这些任务，细胞依赖与DNA相互作用、调控其排列并支持其维持完整性的蛋白质。

Smc5/6就是其中之一，它由多种蛋白组成，共同形成一种结构。它属于一类参与维持染色体的蛋白家族，而染色体是在细胞内携带DNA的结构。尽管科学家早已知道Smc5/6对DNA维持和修复很重要，但它究竟如何捕获并处理DNA，一直难以直接观察。

研究团队使用了高速原子力显微镜（HS-AFM）。这种技术利用极其精细的探针，在纳米尺度上追踪运动和结构变化。与主要提供静态视图的传统成像方法不同，HS-AFM可以记录一系列图像，展示单个分子结构随时间的行为。

研究团队在受控实验条件下，研究了从出芽酵母中纯化得到的Smc5/6，观察其运动及与DNA的相互作用。

他们发现，Smc5/6可以采取两种不同形态。在一种形态中，它的两条长臂彼此靠近，外观类似字母I；在另一种形态中，两条长臂分开，形成类似字母O的开放结构。

这两种形态之间的转换受到三磷酸腺苷（ATP）的影响。ATP是一种为许多细胞过程提供能量的分子。ATP结合会促进开放构象，而随后与ATP相关的变化，则与蛋白以不同方式持有DNA有关。

捕获DNA并将其拉到一起

图像显示，Smc5/6可以在其结构的不同部位与DNA相互作用。在某些构象中，DNA被固定在蛋白组装体一端附近的区域；在另一些构象中，DNA位于其臂形成的结构内部，这为Smc5/6如何捕获DNA提供了证据。

研究人员还观察到，Smc5/6能够同时接触DNA的两个不同片段。这使得该蛋白组装体可以将这些片段固定在一起，这一过程被称为DNA系留。

另一项重要观察涉及DNA扭转。当Smc5/6与扭曲的DNA结构相互作用时，DNA占据的面积比没有蛋白组装体时更小。结果表明，Smc5/6可以通过将DNA片段拉到一起并稳定扭曲构象，帮助DNA压缩。

理解细胞如何维持遗传物质

这项研究更清晰地展示了Smc5/6如何通过协调的形状变化与DNA相互作用。蛋白组装体并非只是简单地在DNA某一位置附着，而是可以采取不同构象，从而帮助固定并重新定位遗传物质。

这些特性与Smc5/6更广泛的生物学作用有关，包括其在染色体维持和DNA修复中的参与。

实验是在细胞外使用纯化蛋白和DNA进行的。因此，这些结果揭示的是受控条件下的分子相互作用，而不是直接展示这一完整过程在细胞内如何运作。

潜在意义

这项研究推进了人们对蛋白如何在物理层面处理DNA的理解。通过揭示Smc5/6的运动，并展示这些运动如何与DNA捕获、系留和压缩相关，这项研究为维持染色体的分子机制提供了新的信息。

更深入理解这些机制，未来或许有助于研究DNA维持和修复失败所引发的问题。不过，这项研究聚焦于基础分子生物学，并未证明任何医疗治疗或临床应用。

金泽大学的Umeda Kenichi说：“通过观察单个Smc5/6结构与DNA相互作用，我们能够看到其形状变化如何与捕获和固定DNA的不同方式相关联。这些观察让我们更接近理解这种蛋白组装体如何执行其维持染色体的功能。”

研究局限

这项研究考察的是受控实验中纯化的Smc5/6和DNA。图像并不能直接证明Smc5/6在活细胞内活动的每一个步骤。

参考文献

Kenichi Umeda、Yumiko Kurokawa、Noriyuki Kodera和Yasuto Murayama：《Smc5/6复合体拓扑结合DNA的亚分子视频成像》。Nature Communications 17, 10398 (2026)。DOI: 10.1038/s41467-026-77122-x

资助

这项研究得到了日本科学技术振兴机构（JST）通过PRESTO（JPMJPR20E3、JPMJPR23J2和JPMJPR19KB）以及CREST（JPMJCR1762）的支持；日本学术振兴会通过KAKENHI项目19K15409、21K04849、26119003、20H00327、24H00402、23K23814和24H02282提供的资助；武田科学基金会；以及日本文部科学省（MEXT）世界顶尖国际研究中心计划（WPI）的支持。

媒体联系

Mayumi Tamada（女士）

关于金泽大学纳米生命科学研究所（WPI-NanoLSI）

金泽大学纳米生命科学研究所开发先进的纳米探针技术，用于直接成像、分析和操控活体系统中的生物分子。通过探索此前无法触及的纳米尺度现象，该研究所旨在揭示生命与疾病的基本原理。

关于世界顶尖国际研究中心计划（WPI）

WPI项目由日本文部科学省于2007年启动，旨在建立具有全球影响力、研究环境卓越且享有高度自主权的研究中心。该项目由日本学术振兴会（JSPS）管理。

关于金泽大学

金泽大学创立于1862年，位于石川县，是日本领先的综合性国立大学之一。该校在科学、医学、工程、人文和社会科学等领域推动跨学科研究与国际合作。

SOURCE Kanazawa University