高速AFM实时观测核酸酶降解DNA动态过程

日本金泽大学纳米生命科学研究所（Nano Life Science Institute, Kanazawa University）的研究人员利用高速原子力显微镜（high-speed atomic force microscopy, HS-AFM），在液体环境中实时观测了单个核酸酶分子如何寻找并切割DNA。相关研究以“Shield strike shatter in DNA topology and nuclease interactions”为题，发表在《Nature Communications》上。

实时追踪单个酶分子与DNA的相互作用

DNA持续暴露于可能造成损伤或断裂的过程中。核酸酶（nuclease）能够有意切割DNA，在维持细胞功能和清除无用DNA方面发挥重要作用。其中，DNase I是研究最为充分的核酸酶之一，负责清除受损或死亡细胞释放的DNA，该清除过程异常与炎症和自身免疫疾病相关。尽管科学家对DNase I的化学机制已有较多了解，但单个酶分子如何接近DNA、停留在何处以及切割前后发生什么，一直难以直接观察。

HS-AFM是一种高分辨率扫描探针显微技术，可在液体中对生物分子进行纳米级动态成像，无需固定、染色或结晶。金泽大学团队利用该技术实时记录了单个核酸酶与DNA相互作用并逐步将其分解的过程。影像显示，DNase I并非均匀地与DNA分子的所有部位发生作用，而是频繁出现在暴露的DNA末端以及弯曲或局部弯折的区域。单个DNase I分子可在可见断裂发生前反复回到特定区域，且持续时间较长的相互作用更常见于弯曲区域附近，这些位置也更易发生切割。

需要指出的是，HS-AFM无法直接显示酶活性中心的化学反应，因此研究人员将DNA形状、酶反复结合与后续切割之间的关系描述为空间与时间上的相关性，而非对催化反应的直接观测。

STORM框架与DNA保护机制

基于这些反复出现的相互作用模式，研究人员提出了一个名为STORM的概念框架，即Scan–Target–Occupy–Rupture–Mobilize（扫描—靶向—占据—断裂—重新分布）。在该框架中，酶先对DNA进行采样，随后定位于特定区域并保持结合，发生断裂后碎片被重新分布。研究人员强调，STORM是描述实验所揭示相互作用模式的框架，而非每个酶分子必须经历的固定顺序。

团队还考察了另一种DNA切割酶——微球菌核酸酶（micrococcal nuclease, MNase）。尽管DNase I与MNase存在差异，但二者表现出相似的DNA采样、局部相互作用、反复结合、破坏和碎片再分布模式，提示STORM样行为可能反映了不同核酸酶与DNA相互作用的更广泛物理原理。

实验还揭示了DNA的物理组织如何保护其免受降解。研究人员观察了由鱼精蛋白（protamine）浓缩的DNA。鱼精蛋白是一种与DNA强结合的小蛋白，在精子细胞中尤为重要，有助于将父本基因组包装成极度紧凑的形式。在实验条件下，鱼精蛋白使DNA主要形成两种紧凑结构：细长的杆状结构和称为环状体（toroid）的环状结构。高速显微成像显示，DNase I分子可聚集在这些浓缩结构周围而不将其破坏。环状体结构尤为紧凑，DNase I很少穿透其中心区域，在酶持续存在的情况下，这些结构在连续观察超过六分钟后仍保持完整。当浓缩结构被部分松散后，暴露区域再次变得易被降解。结果表明，保护作用并非仅来自鱼精蛋白与DNA之间的电性相互作用，而是将DNA紧密包装成特定三维结构所形成的物理屏障限制了酶的进入。

潜在应用方向

这些发现有助于理解紧凑结构如何帮助保存遗传信息，包括精子细胞中极为致密的包装形式。它们也可能与受损或死亡细胞释放的胞外DNA相关——若不能有效清除，这类DNA可刺激免疫反应。此外，该结果或有助于DNA治疗药物和基因递送系统的开发：将遗传物质包装成限制核酸酶进入的结构，可能提高其抗降解能力。

来源：GEN（英文原文，生物航编译，内容以原文为准）