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新发现的遗传“开关”:蛋白质通过DNA“交流” 进行远距离“对话”
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据魏兹曼科学研究所的研究人员说,蛋白质可以通过 DNA 进行 " 交流 ",进行远距离 " 对话 ",作为一种遗传 " 开关 "。他们发现,蛋白质与 DNA 分子的一个位点结合,可以对远处的另一个结合位点产生物理影响,而这种 " 同群效应 " 可以激活某些基因。这种效应以前曾在人工系统中观察到过,但魏兹曼的研究首次表明它发生在生物体的 DNA 中。

由化学和结构生物学系的 Hagen Hofmann 博士领导的团队在研究土壤细菌枯草芽孢杆菌中的一个奇特现象时做出了这个发现。这些细菌中的一小部分表现出一种独特的技能:通过吸收散落在它们周围土壤中的细菌基因片段来丰富它们的基因组的能力。这种能力取决于一种叫做 ComK 的蛋白质,这是一种转录因子,它与 DNA 结合以激活使清扫成为可能的基因。然而,人们不知道这种激活究竟是如何进行的。

科学家 Gabriel Rosenblum 博士领导了这项研究,研究人员利用先进的生物物理工具 -- 单分子 FRET 和低温电子显微镜探索了细菌的 DNA。特别是,他们集中研究了 ComK 蛋白结合的 DNA 分子上的两个位点。

他们发现,当两个 ComK 分子与其中一个位点结合时,会产生一个信号,促进另外两个 ComK 分子在第二个位点结合。信号可以在这些位点之间传播,因为原始蛋白的结合所引发的物理变化会产生张力,沿着 DNA 传递,就像从一端扭动绳子一样。一旦所有四个分子都与 DNA 结合,就会通过一个阈值,开启该细菌的基因清除能力。

Rosenblum 说:" 我们惊讶地发现,DNA 除了包含遗传密码外,还像一条通信电缆,在相对较长的距离内将信息从一个蛋白质结合点传输到另一个结合点。"

通过操纵细菌的 DNA 并监测这些操纵的效果,科学家们澄清了 DNA 内 " 长距离通信 " 的细节。他们发现,为了使两个位点之间的 " 通信 " 或 " 合作 " 发生,这些位点必须位于彼此之间的特定距离,并且它们必须在 DNA 螺旋结构上面向同一方向。对这两个条件的任何偏离 -- 例如,增加距离 -- 都会削弱通信。人们发现在两个站点之间运行的遗传字母序列对这种通讯没有什么影响,而 DNA 的断裂则完全中断了这种通讯,这进一步证明了这种通讯是通过物理连接发生的。

了解这些细节可能有助于为各种应用设计所需强度的分子开关。后者可能包括对细菌进行基因工程以清理环境污染或合成可用作药物的酶。

Hofmann 说:"DNA 分子内的长距离通信是一种新型的调节机制 -- 它为设计未来的基因电路开辟了以前无法获得的方法。"

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