Science：揭示DNA结合蛋白高效结合DNA靶序列的新机制

作者：张馨予

在一项新的研究中，来自瑞典乌普萨拉大学的研究人员展示了DNA结合蛋白如何在不受到阻碍的情况下在整个基因组中搜索它的靶序列。这一结果与我们目前对基因调控的理解--遗传密码影响DNA结合蛋白的结合频率，但不影响它的结合时间--相矛盾。相关研究结果发表在2022年1月28日的Science期刊上，论文标题为“Sequence specificity in DNA binding is mainly governed by association”。

在有机体的一生中，它的基因组变化很小。不断变化的是细胞在应对损伤、环境变化或生殖周期不同阶段时产生哪些蛋白。蛋白的产生是由DNA结合蛋白调节的，这些蛋白已经进化出开启或关闭不同基因的能力。由于环境可以迅速变化，快速适应是关键。DNA结合蛋白必须在数以百万计的碱基对中找到正确的DNA代码，而且要快。

当DNA结合蛋白在遗传密码中寻找它们的靶序列时，它们沿着DNA螺旋滑动以加快这一过程。当它们最终找到正确的位置时，它们停留在那里；与“正确的”靶序列的相互作用阻止了它们的滑行。这一机制已被广泛接受来描述这一搜索过程。这确实是一个吸引人的假说，但它提出了一个恼人的问题---DNA代码中充满了许多“几乎正确”的序列。如果DNA结合蛋白在特定的DNA基序上停留的时间是由序列决定的，那么执行搜索任务的DNA结合蛋白将不断地在与它们的靶序列相似的序列上逗留。

论文第一作者、乌普萨拉大学的Emil Marklund说，“如果教科书上的解释是正确的，那么DNA结合蛋白会一直停留在靶序列之外。基因调控将非常无效，但我们从以前的研究中知道，情况并非如此。我们最熟悉的DNA结合蛋白LacI在几分钟内就能在460万个碱基对中找到它的靶序列。”

为了解决这一悖论，这些作者让DNA结合蛋白LacI在安装在一个微芯片上的数千个不同的DNA序列上来回滑动。一种荧光分子附着在LacI蛋白上，使得测量LacI附着在不同DNA序列上的速度以及它从中释放下来的速度成为可能。所获得的结果是令人吃惊的。与之前的假设相反，DNA序列对LacI与DNA结合的时间几乎没有影响。然而，当遇到的DNA序列与靶序列相似时，滑动的LacI更有可能短暂地停留下来。换句话说，DNA结合蛋白经常也会离开它们要调节的序列，但是在靶位点，它们总是在找到它们的路径之前进行非常短的旅程。在宏观的时间尺度上，这看起来是一种稳定的相互作用。

论文共同通讯作者、乌普萨拉大学细胞与分子生物学教授Johan Elf说，“我们的结果，即DNA结合蛋白在非靶序列上短暂地结合而不是持久地结合，解释了LacI如何能够在DNA序列上滑动以寻找它的靶序列而不会遇到不必要的阻碍。LacI调节细菌对乳糖的吸收，但当然只是一个例子。调节我们自己的基因的数百种不同的转录因子可能根据类似的原则发挥作用。”

参考资料： Emil Marklund et al. Sequence specificity in DNA binding is mainly governed by association. Science, 2022, doi:10.1126/science.abg7427.