近年來(lái)，在許多生命代謝過(guò)程中都觀察到了蛋白質(zhì)相分離的現(xiàn)象，核酸分子被發(fā)現(xiàn)廣泛參與了調(diào)控蛋白質(zhì)相分離和動(dòng)態(tài)凝聚過(guò)程以及生理功能。其中，涉及RNA解旋酶的相分離現(xiàn)象及其相應(yīng)的體內(nèi)功能已被深入報(bào)道。例如，DEAD-Box家族中的眾多RNA解旋酶通過(guò)相分離在mRNA翻譯、RNP組成以及RNA最終命運(yùn)等代謝過(guò)程發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但是，與DNA解旋酶相關(guān)的相分離研究卻十分有限。此外，由于技術(shù)上的限制，直接可視化和表征核酸分子與蛋白質(zhì)在相分離狀態(tài)下的相互作用仍然非常具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于蛋白質(zhì)如何調(diào)節(jié)共凝聚體中的核酸結(jié)構(gòu)與性質(zhì)目前還知之甚少。
近日，中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所交叉中心劉聰課題組與上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院孫博課題組合作在學(xué)術(shù)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上在線(xiàn)發(fā)表了題為“Bloom syndrome helicase compresses single-stranded DNA into phase-separated condensates”（布魯姆解旋酶通過(guò)相分離壓縮單鏈DNA形成共凝聚體）的研究論文。研究人員利用熒光光鑷技術(shù)，在單分子水平發(fā)現(xiàn)布魯姆解旋酶（Bloom syndrome helicase，BLM）與單鏈DNA（single-stranded DNA，ssDNA）通過(guò)相分離形成蛋白-核酸共聚體的互作新模式。
BLM是RecQ家族中一種重要的DNA解旋酶，廣泛參與了維持基因組的完整性和穩(wěn)定性的代謝過(guò)程。BLM的功能缺失、突變可導(dǎo)致一種罕見(jiàn)的常染色體隱性遺傳病，即布魯姆綜合征，具有顯著的遺傳不穩(wěn)定性。更重要的是，在多種癌癥組織中，如乳腺癌和淋巴瘤等，均發(fā)現(xiàn)了高表達(dá)的BLM蛋白。BLM的過(guò)表達(dá)同樣被認(rèn)為與基因組不穩(wěn)定性密切相關(guān)。然而，與BLM過(guò)表達(dá)相關(guān)的基因組不穩(wěn)定和癌癥發(fā)病率增加的分子機(jī)制仍在很大程度上未知。
本工作中，研究人員利用熒光光鑷技術(shù)，在單分子水平上發(fā)現(xiàn)了高濃度的BLM蛋白可以在解旋雙鏈DNA（double-stranded DNA，dsDNA）后壓縮新生成的ssDNA并形成凝聚體。進(jìn)一步研究表明BLM本身具有很強(qiáng)的相分離能力，形成的蛋白凝聚體會(huì)經(jīng)歷快速的液-固相相轉(zhuǎn)變形成凝膠態(tài)，而ssDNA能夠與BLM共分相并加速共凝聚體向膠態(tài)的轉(zhuǎn)變 (圖1)。
圖1 ssDNA促進(jìn)BLM相分離并形成動(dòng)態(tài)阻滯的BLM/ssDNA共凝聚體
研究人員通過(guò)熒光光鑷技術(shù)發(fā)現(xiàn)，BLM能夠與ssDNA共凝聚并導(dǎo)致ssDNA的壓縮，其在ATP水解的驅(qū)動(dòng)下，可以抵抗數(shù)十皮牛的阻力（圖2）。此外，BLM還能夠通過(guò)移除與ssDNA結(jié)合的RPA或RAD51蛋白來(lái)壓縮ssDNA，這也為BLM作為抗重組酶，參與同源重組修復(fù)過(guò)程中的抗重組功能提供了新的證據(jù)。進(jìn)一步研究表明，單鏈DNA促進(jìn)了動(dòng)態(tài)阻滯的BLM凝聚體的形成，導(dǎo)致其可逆性明顯降低。
圖2 ATP水解幫助BLM抵抗外力與ssDNA的共凝聚
綜上，本工作展示了DNA解旋酶BLM具有很強(qiáng)的相分離能力，并且其凝聚過(guò)程受ssDNA的動(dòng)態(tài)調(diào)控，在單分子水平上展示了BLM與ssDNA共凝聚過(guò)程中的抗阻力特性和低可逆性。同時(shí)，該工作也為BLM過(guò)表達(dá)導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定的分子機(jī)制及其在同源重組中的抗重組功能提供了新的見(jiàn)解。
該論文中，孫博課題組2019級(jí)博士生王滕及劉聰課題組2020級(jí)博士生胡姣姣為共同第一作者，孫博教授與劉聰研究員為共同通訊作者。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委及上海市科委等基金的支持。
