全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·信息交流· 2008年第2期
收稿日期:2007-09-30
译者简介:韩旭,苏州大学生命科学学院
作者简介:XiaoweiZhuang,美国哈佛大学化学生物系
自从 20年前光镊技术被 Ashkin、Chu及其同
事发明[1],该技术已被应用于各种生物学研究并由
此获得丰富信息。例如应力下生物高分子的行为
[2],DNA连接酶如何译码或如何消化 DNA[3~6],动力
蛋白如何沿分子轨道移动[7,8],以及 RNA和蛋白质
分子如何折叠/展开[9~11]。通过对单个分子的操纵,
光镊技术可用于探索这些生物系统在分子层面的
工作模式。在本期 222页,Case等描述了该技术的
另一精巧应用。揭示了凝聚子蛋白质如何产生紧凑
形式的 DNA[12]。
光镊技术的原理是用聚焦激光束将三维空间
中粒子捕捉,并通过调整光束来操纵粒子[1]。聚焦
光束对粒子施加两种力。梯度力将粒子拉向光束焦
点。散射力由辐射压产生,使粒子远离光轴。当两种
力平衡,粒子停留在略微偏离光焦点处。
光镊技术最激动人心的应用在生物学上,但生物
分子非常小并不能使光镊直接操纵,往往用一个微米
尺度的电介质球粘在分子上作为操作柄(图1)。这就
便于操作者移动分子的位置和施加力。两个参数可
以精确测定。微球的位置可精确至 1nm,施加力可
精确至 1pN。这样,光镊可用于生物分子的精巧控
制。
Case等利用该技术,已发现细菌有序地凝结
DNA。由于凝结的 DNA比其展开形式更易于分裂,
DNA凝结对细胞分裂至关重要。细菌的染色体
DNA被压缩成拟核[13],真核细胞以有丝分裂的形式
形成染色体束[14]。两种情况下,SMC(染色体结构维
护)蛋白质在 DNA凝聚中扮演重要角色[13,14]。
Case等关注含有一 SMC二聚体(MuKB)及两
个非 SMC亚单位(MuKE和 MuKF)的大肠杆菌凝
聚子 MukBEF蛋白质(图 1A)。在实验中,聚苯乙烯
微球被粘附到一段双链 DNA的两端。两微球分别
被光阱和微吸管捕捉(图 1A)。将微吸管从光束拉
开,可得到 DNA的力-伸展的关系曲线。该研究小
组在先前研究中,已使用类似方法检测 DNA的力
学性质。然而,当使用同样方法研究 MukBEF蛋白
质与 ATP存在下的 DNA时,他们有了意外发现。
首先,他们发现这种 DNA的力-伸展关系曲线
的变化率,比裸 DNA的力-伸展关系曲线的变化率
大(图 1B)。考虑到 MukBEF蛋白质凝聚了 DNA,以
上结果并不意外。然而,当力达到 17pN时,出现了
一个奇妙的现象:锯齿状振荡叠加在原本平坦的曲
线上,说明 DNA-MukBEF蛋白质复合物经历了包
含连续个别凝聚事件。当力被撤去,DNA就回到凝
聚态。奇妙的是,当外力小于但接近于 17pN时,或
因单个 MukBEF蛋白质分子的构型改变,重凝聚很
慢以至于可观察到 35nm的单个凝结步骤。凝聚发
光镊探索DNA凝聚过程
韩旭 译
图 1 使用光镊夹持研究 DNA-MukBEF复合物
A.在 Case等的实验装置中,聚苯乙烯微球(图中本色图形所
示)被粘在 DNA双束片断(图中紫色图形)两端,并分别由光
阱(橙色图形)和微吸管(灰色图形)握持。将微吸管侧向拉离
光束,可实验确定 DNA-MukBEF复合物受力-伸长曲线。图中
仅显示了 SMC二聚物 (MukB),而非 SMC亚单位 (MukE和
MukF)黏附在图中蓝色矩形表示的 MukB的端部
B.对 DNA-MukBEF复合物三次拉伸得到的受力-伸长曲线
C.DNA-MukBEF复合物受力引起解凝聚过程的模式
2008年第2期
生在 ATP及其抗水解物的存在下,表明 ATP的粘
附而不是 ATP的水解为凝结提供了能量。
也许最奇妙的结果,是当同一个的 DNA被重复
扯动时,可重现这种锯齿状振荡。在力-伸展关系曲
线中发现锯齿状振荡不是新现象。当用原子力装置
拉伸巨型连接素蛋白,也可观测到典型的锯齿形振
荡,说明单个免疫球蛋白的相继展开起主要作用[15]。
当一核小体序列被光阱捕捉,会看到同样现象,暗
示着从单个组蛋白中释放 DNA[16]。上述例子中,锯
齿状振荡说明断裂力增长的趋势。力学加载使连接
松开时,较强的连接需要较强的力使之松开。对于
相同连接强度的一连串连接,断开点应该是随机
的。但在 DNA-MukBEF蛋白质复合物的例子中,得
到的锯齿状振荡曲线不仅几乎重复,而且其峰值点
位置及量值并不随实验次序而变(图 1B)。
为解释这些现象,Case等提出:ATP作用下的
MukBEF蛋 白 质 聚 合 物 , 是 沿 DNA链 由 相 邻
MukBEF蛋白质分子的端部相互作用而形成(图1C)。
即使受到高达90pN的力,这种端部连接结构也不会
分离(图1C)。依赖ATP的两个相邻MukBEF蛋白质
的端部作用,以及 DNA和 SMC二聚体的连续刺激
性粘合,与最近关于枯草杆菌SMC的生化研究相吻
合[17]。Case等还认为,同一MukBEF蛋白质二聚体的
两个端部较弱的分子内作用使DNA凝聚。当外力达
到 17pN时,相互作用被破坏,因而出现锯齿形振荡
(图1C)。锯齿形振荡惊人的重复性或许说明,只有一
个邻近分子的(端部)MukBEF蛋白质分子的力更弱,
那么后者的作用总会是在凝聚态DNA片段的一端开
始(图1C)。
以上实验可为凝聚子-DNA相互作用提供新
视角,但仍有待探索。例如,该实验中观测到的凝聚
比例约为 4,远小于细菌凝聚比例(103~104)。这一
不符合现象或许因其它凝聚子,DNA拓扑异构酶,
其它 DNA粘附酶,DNA活跃态超螺旋产生,但这些
不同因素如何相互影响。另一值得探究的是由凝聚
子调控的 DNA凝聚,其运转机制主要取决于真核
细胞还是原核细胞,也许根据在哪一类生物体发现
更多 SMC二聚体结构,才能获知答案。然而,最近
Strick等对瓜蟾凝聚子 I的单分子研究,显示不同
结果[18]。其中之一是 ATP水解对于凝聚子 I控制下
的 DNA凝聚是必要的,而 Case等的研究结果,是
MukBEF蛋白质诱导的 DNA凝聚在抗水解 ATP存
在下亦可完成。反应量值上,凝聚子 I控制的单个
凝聚与逆凝聚过程较为明显,从而使 Strick等观测
到的总凝聚比例发生相应变化。这些差别是由于真
核原核凝聚子的运转机制的不同,还是仅由实验条
件不同,尚有待研究。
毕竟,夹持分子两端并拉开它,不是细胞中生物
分子的自然过程。在进行用光镊操纵生物分子的许
多精巧实验后,笔者对这项精巧设计的技术仍然既
感到惊讶,又充满期待。例如在DNA转录中,光阱精
确度的改善已达到可分辨碱基互补对的程度[19]。像
病毒的 DNA组装,细菌对 DNA的摄取等复杂过
程,正在接近生理条件下被研究[20,21]。Case等的实
验是对该技术应用的极好拓展,更不用说他们已完
成归功于单分子力谱分析等一系列具有同等价值
的实验。到目前为止,在对于单个分子的操纵与力
的测量,人们的想象力会带来该技术应用得更大空
间。(参考文献略)
(译自 Science杂志,2004,305:188~190)
韩旭等:光镊探索DNA凝聚过程 215