DNA回旋酶研究新突破：冷凍電鏡揭示關(guān)鍵機制

研究成果

DNA回旋酶是一種在細菌中廣泛存在的重要酶，作為抗生素的關(guān)鍵靶點，其研究對于開發(fā)新型抗生素具有重要意義。新研究在這一領(lǐng)域取得了突破性進展。

近日，來自約翰·因尼斯中心、杜倫大學(xué)和波蘭雅蓋隆大學(xué)的研究人員在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了題為"Structural basis of chiral wrap and T-segment capture by Escherichia coli DNA gyrase"的研究論文。該研究揭示了DNA回旋酶的新機制，為針對耐藥細菌的新型抗生素治療提供了可能。

冷凍電鏡（cryoEM）技術(shù)揭示DNA回旋酶的結(jié)構(gòu)與機制

DNA回旋酶廣泛存在于細菌中，它像一個微小的分子機器，精確地扭轉(zhuǎn)細菌DNA，形成超螺旋結(jié)構(gòu)。這種超螺旋化對于DNA的功能至關(guān)重要，如促進基因的表達、維持染色體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及協(xié)助DNA復(fù)制和修復(fù)過程。

該酶將DNA環(huán)繞成"8字形"環(huán)，然后精確地斷裂并使鏈條相互穿過，再重新封閉。這是一個非常精細的過程，一旦DNA保持斷裂狀態(tài)，細菌將會死亡。氟喹諾酮類抗生素正是通過阻止DNA重新封閉來利用這一脆弱性過程，從而殺死細菌。然而，隨著細菌對這些抗生素耐藥性的增加，迫切需要更深入地了解回旋酶的功能機制。

該研究使用冷凍電鏡技術(shù)，以2.3?的分辨率解析了大腸桿菌DNA回旋酶的完整結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)使得研究團隊能夠首捕捉到手性DNA環(huán)的動態(tài)特征，并捕獲到了回旋酶工作的快照。

利用冷凍電子顯微鏡，研究團隊發(fā)現(xiàn)回旋酶如何通過伸展的蛋白質(zhì)"臂"環(huán)繞DNA，形成8字形環(huán)。

研究意義

這一發(fā)現(xiàn)更新了回旋酶機制的傳統(tǒng)看法，展示了回旋酶作為一個高度協(xié)調(diào)的多部分系統(tǒng)，每個部分都按照精確的順序移動，以實現(xiàn)DNA超螺旋。推動了我們對細菌生物學(xué)的理解，為設(shè)計新的抗生素提供了希望。這些新型抗生素可以繞過現(xiàn)有的耐藥機制，更有針對性地阻斷回旋酶，為治療耐藥細菌感染提供了新的可能性。

通過對比無藥物和MFX結(jié)合狀態(tài)下的催化位點結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)藥物通過單一金屬離子橋聯(lián)，與G片段形成穩(wěn)定的藥物-酶-DNA復(fù)合物，從而阻止了酶的切割反應(yīng)。

核苷酸結(jié)合用綠色六邊形（ATP）或空六邊形（ADP）表示；GyrA CTD的酸性尾部以負電荷表示。

冷凍電鏡在這一發(fā)現(xiàn)中的重要性不可忽視，它為科學(xué)家提供了前所未有的分辨率和精確度，揭示了回旋酶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能機制，為抗耐藥細菌的治療開辟了全新的可能性。