李雪梅/饒子和/陳瑜濤合作最新Science子刊

IIA型拓撲異構酶通過協(xié)同切割門控DNA片段與轉運DNA片段穿行來調控DNA拓撲結構——這一機制在物種間高度保守，并對多種細胞過程至關重要。盡管門控片段交互作用已得到廣泛研究，但轉運片段捕獲的直接結構證據一直難以獲得，限制了對完整催化循環(huán)的理解。

2025年12月17日，中國科學院生物物理研究所李雪梅，饒子和和陳瑜濤共同通訊在Science Advances在線發(fā)表題為“Direct trapping of the transport-segment DNA by the central domain of type IIA topoisomerases”的研究論文。該研究報道了T4噬菌體II型拓撲異構酶與轉運DNA片段直接結合于其中心結構域的冷凍電鏡結構。

該結構揭示了中心結構域為容納轉運DNA片段而發(fā)生的構象重排，提示了一種可能的事件序列：酶沿松散結合并重新連接的門控片段滑動，可能先于轉運片段穿過卷曲螺旋門。通過突變與生化實驗驗證，本研究提供了前所未有的機制見解，并為開發(fā)新一代IIA型拓撲異構酶抑制劑開辟了潛在途徑。

DNA的雙螺旋結構在復制、轉錄、重組和染色體分離等關鍵細胞過程中，會不可避免地產生拓撲學挑戰(zhàn)——如超螺旋、打結和纏結。若這些約束無法解除，將導致細胞死亡。DNA拓撲異構酶分為I型和II型，是一類通過短暫切斷DNA骨架來解除這些拓撲問題的專用酶。I型拓撲異構酶通過產生單鏈斷裂來松弛超螺旋DNA，從而實現(xiàn)鏈的旋轉或穿行。相比之下，II型拓撲異構酶在門控DNA片段（G-DNA）上引入雙鏈斷裂，以允許第二個DNA雙鏈體（稱為轉運DNA片段，T-DNA）通過。這些酶能夠去除或引入超螺旋（例如DNA旋轉酶），并解開DNA結和連環(huán)體。

根據遺傳和結構特征，II型拓撲異構酶進一步分為IIA型和IIB型。細菌編碼兩種IIA型酶：DNA旋轉酶和拓撲異構酶IV。真核生物編碼一種IIA型酶，即拓撲異構酶II（Topo II），其中脊椎動物表達兩種亞型——Topo IIα和Topo IIβ。此外，一些噬菌體和核質大DNA病毒，包括T偶數噬菌體和非洲豬瘟病毒（ASFV），也編碼其自身版本的IIA型拓撲異構酶。IIB型拓撲異構酶，如拓撲異構酶VI，存在于古菌和植物中，與IIA型酶的結構相似性有限。

所有IIA型拓撲異構酶均具有保守的雙結構域架構。N端三磷酸腺苷酶（ATPase）結構域結合并水解三磷酸腺苷（ATP），以驅動催化所需的構象變化。中央DNA結合/切割結構域（下文簡稱中央結構域）結合并切割G-DNA，從而實現(xiàn)T-DNA的穿行。真核和原核Topo II還具有具有調控作用的額外C端結構域，而病毒拓撲異構酶通常僅包含ATPase和中央結構域，這使其成為機制研究的簡化模型。在最近的一項研究中，作者報道了T偶數噬菌體Topo II的幾種構象狀態(tài)，揭示了T4/6酶中獨特的結構域組成以及G-DNA異步切割的結構基礎。

模式機理圖（圖片源自Science Advances）

盡管ATPase和中央結構域被認為在鏈穿行過程中均與T-DNA結合，但結構研究主要集中于G-DNA。捕獲T-DNA的直接結構證據一直有限。2018年，Laponogov等人報道了肺炎鏈球菌（以下簡稱S. pneumoniae）拓撲異構酶IV的ATPase結構域與T-DNA雙鏈體結合的晶體結構，首次提供了捕獲T-DNA的直接證據。最近的一項ASFV Topo II晶體結構顯示，中央結構域利用一個短DNA雙鏈體同時結合了G-DNA和T-DNA。然而，該結構與G-DNA結合狀態(tài)相比未顯示出顯著的構象變化，限制了對T-DNA轉運動態(tài)特性的深入理解。

在本研究中，作者報道了T4噬菌體Topo II中央結構域與T-DNA結合的一個先前未確定的冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）結構。觀察到的構象更類似于非結合狀態(tài)，而非G-DNA結合狀態(tài)。結合與松散結合的G-DNA一致的可區(qū)分密度，作者提出了一個替代模型：在T-DNA穿過卷曲螺旋門（C門）之前，G-DNA已被連接，且酶沿著松散結合的G-DNA滑動。突變分析表明，C門中的殘基Arg375對T-DNA鏈的穿行至關重要。此外，G-DNA結合結構揭示了兩個催化中心之間的不對稱性，支持了作者之前的發(fā)現(xiàn)以及近期關于G-DNA異步切割的觀察結果。總之，作者的研究結果為理解T-DNA轉運機制提供了新見解，并為設計新型IIA型拓撲異構酶抑制劑提供了策略依據。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw2839