金澤大學研究：科學家發現環狀蛋白如何捕捉並聚攏 DNA 鎖

高速納米成像揭示一種蛋白質結構如何改變形狀，以更緊密地捕捉並壓縮 DNA。

日本金澤大學和國立遺傳學研究所的研究人員使用高速原子力顯微鏡，觀察了被稱為 Smc5 /6 的一組蛋白如何與 DNA 互相作用。圖像顯示，這一結構如何開啟和關閉、捕捉 DNA，並將分離的片段拉到一起。研究人員還觀察到， Smc5 /6 會將扭曲的 DNA 片段固定在原位，從而形成更緊密的排列。研究結果為維持和修復遺傳物質的分子過程提供了新的認識。

觀察蛋白質結構如何改變形狀

每個活細胞都必須保護並維持自身的遺傳物質。這種遺傳物質包含了生命所需的指令，但它不斷地受到可能損傷其結構的壓力。當細胞分裂時，這種遺傳物質也必須被準確複製。為了完成這些任務，細胞依賴與其他蛋白質相互作用、調控其排列並支持其維持完整性。

Smc5 /6 就是其中之一，它由多種蛋白質組成，共同形成一種結構。它屬於一類參與維持染色體的蛋白質家族，而染色體是在細胞內攜帶 DNA 的結構。儘管科學家早已知道 Smc5 /6 對於 DNA 的維持和修復非常重要，但它是如何捕捉並處理 DNA 的，一直很難直接觀察。

研究團隊使用了高速原子力顯微鏡（HS-AFM）。這種技術利用極其精細的探針，在納米尺度上追蹤運動和結構變化。與主要提供靜態視圖的傳統成像方法不同，HS-AFM可以記錄一系列圖像，展示單個分子結構隨時間的行為。

研究團隊在受控實驗條件下，研究了從出芽酵母中純化得到的Smc5 /6，觀察其運動及與DNA的相互作用。

他們發現，Smc5 /6可以採取兩種不同的形態。在一種形態中，它的兩條長臂彼此靠近，外觀類似於字母I；在另一種形態中，兩條長臂分開，形成類似於字母O的開放結構。

這兩種形態之間的轉換受到三磷酸腺苷（ATP）的影響。ATP是一種為許多細胞過程提供能量的分子。ATP的結合會促進開放構象，而隨後與ATP相關的變化，則與蛋白質以不同方式持有DNA有關。

捕获 DNA 并將其拉到一起

圖像顯示，Smc5 /6可以在其結構的不同部位與DNA相互作用。在某些構象中，DNA被固定在蛋白質組裝體一端附近的區域；在另一些構象中，DNA位於其臂形成的結構內部，這為Smc5 /6如何捕获DNA提供了證據。

研究人員還觀察到，Smc5 /6能夠同時接觸DNA的兩個不同片段。這使得該蛋白質組裝體能將這些片段固定在一起，這一過程被稱為DNA系留。

另一項重要的觀察涉及 DNA 的扭轉。當 Smc5 /6 與扭曲的 DNA 结構相互作用時，DNA 占據的面積比沒有蛋白質組裝體時更小。研究結果表明，Smc5 /6 可以通過將 DNA 片段拉在一起並穩定扭曲構象，來幫助 DNA 壓縮。

理解細胞如何維持遺傳物質

這項研究更清晰地展示了 Smc5 /6 如何通過協調的形狀變化與 DNA 互相作用。蛋白質組裝體並非只是簡單地在 DNA 某一位置附着，而是可以採取不同的構象，從而幫助固定並重新定位遺傳物質。

這些特性與 Smc5 /6 更廣泛的生物學作用有關，包括其在染色體維持和 DNA 修復中的參與。

實驗是在細胞外使用純化蛋白和 DNA 進行的。因此，這些結果揭示的是受控條件下的分子相互作用，而不是直接展示這一完整過程在細胞內如何運作。

潛在意義

這項研究推進了人們對蛋白質在物理層面上如何處理 DNA 的理解。通過揭示 Smc5 /6 的運動，並展示這些運動如何與 DNA 的捕獲、系留和壓縮相關，這項研究為維持染色體的分子機制提供了新的信息。

更深入地理解這些機制，未來或許有助於研究 DNA 維持和修復失敗所引發的問題。不過，這項研究聚焦於基礎分子生物學，並未證明任何醫療治療或臨床應用。

金澤大學的 Umeda Kenichi 說：「通過觀察單個 Smc5 /6 结構與 DNA 之間的相互作用，我們能夠看到其形狀變化是如何與捕捉和固定 DNA 的不同方式相關聯的。這些觀察讓我們更接近於理解這種蛋白質組裝體是如何執行其維持染色體的功能的。」

研究侷限

這項研究考察的是在受控實驗中純化的 Smc5 /6 和 DNA。圖像並不能直接證明 Smc5 /6 在活細胞內活動的每個步驟。

參考文獻

Kenichi Umeda、Yumiko Kurokawa、Noriyuki Kodera 和 Yasuto Murayama：《Smc5 /6 复合体拓扑結合 DNA 的亞分子影像》。Nature Communications 17, 10398 (2026)。DOI：10.1038/ s41467-026-77122-x

資助

這項研究得到了日本科學技術振興機構（JST）通過各項計劃（JPMJPR20E3、JPMJPR23J2、JPMJPR19KB）以及CREST（JPMJCR1762）的支援；日本學術振興會通過KAKENHI計劃中的19K15409、21K04849、26119003、20H00327、24H00402、23K23814和24H02282項目提供資助；武田科學基金會的支援；以及日本文部科學省（MEXT）的「世界頂尖國際研究中心計畫」（COE）的支援。

媒體聯絡

Mayumi Tamada（女士）

關於金澤大學納米生命科學研究所（WPI-NanoLSI）

金澤大學納米生命科學研究所開發先進的納米探針技術，用於直接成像、分析和操控活體系統中的生物分子。通過探索此前無法觸及的納米尺度現象，該研究所旨在揭示生命與疾病的根本原理。

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WPI計畫由日本文部科學省於2007年啟動，旨在建立具有全球影響力、研究環境優越且享有高度自主權的研究中心。該計畫由日本學術振興會（JSPS）管理。

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金澤大學創立於1862年，位於石川縣，是日本領先的綜合性國立大學之一。該校在科學、醫學、工程、人文和社會科學等領域推動跨學科研究與國際合作。

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