哈佛大學(xué)莊小威研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一項(xiàng)新的單分子成像技術(shù)，通過DNA折紙轉(zhuǎn)子對(duì)基因組加工酶的旋轉(zhuǎn)行為進(jìn)行追蹤。這一研究成果發(fā)表在2019年8月1日出版的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
研究人員開發(fā)了一種基于折紙轉(zhuǎn)子的成像和追蹤技術(shù)(ORBIT)，其采用熒光標(biāo)記的DNA折紙轉(zhuǎn)子在單分子水平以毫秒的時(shí)間分辨率記錄DNA旋轉(zhuǎn)。研究人員使用ORBIT技術(shù)追蹤了由RecBCD復(fù)合物（一種參與DNA修復(fù)的解旋酶）解旋時(shí)以及RNA聚合酶介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過程中產(chǎn)生的DNA旋轉(zhuǎn)。研究人員描繪了在RecBCD引起DNA解旋過程中發(fā)生的一系列事件，包括起始、加工易位、停頓和返回。此外，也揭示了該過程的起始機(jī)制，這包括了可逆的不依賴ATP消耗的DNA展開以及RecB馬達(dá)的參與。在RNA聚合酶進(jìn)行轉(zhuǎn)錄時(shí)，研究人員直接觀察到了相應(yīng)單堿基對(duì)解開時(shí)的旋轉(zhuǎn)步驟。研究人員認(rèn)為ORIBIT技術(shù)可應(yīng)用于蛋白質(zhì)與DNA之間廣泛相互作用的研究。
研討布景
許多基因組處理反響，包含轉(zhuǎn)錄，仿制和修正，都會(huì)發(fā)作DNA旋轉(zhuǎn)。直接丈量DNA旋轉(zhuǎn)的辦法，如轉(zhuǎn)子珠盯梢，視點(diǎn)光學(xué)捕獲和磁性鑷子，有助于提醒一系列基因組加工酶的效果機(jī)制，包含RNA聚合酶（RNAP），gyrase，病毒DNA包裝機(jī)器和DNA重組酶。雖然旋轉(zhuǎn)丈量有或許改動(dòng)咱們對(duì)基因組處理反響的了解，但丈量DNA旋轉(zhuǎn)仍然是一項(xiàng)艱巨的使命。現(xiàn)有辦法的時(shí)間分辨率不足以盯梢在生理?xiàng)l件下由許多酶誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)，而且丈量通量一般較低。
2018年11月1號(hào)，哈佛大學(xué)莊小威等人在Science 上在線宣布了題為"Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region"的研討論文，該研討界說(shuō)了在雄性和雌性小鼠的社會(huì)行為期間激活的特定神經(jīng)元集體，為行為回路的研討供給了高分辨率結(jié)構(gòu)。
運(yùn)用ORBIT進(jìn)行單分子DNA旋轉(zhuǎn)丈量
2018年10月26號(hào)，哈佛大學(xué)莊小威等人在Science 上在線宣布了題為"Super-resolution chromatin tracing reveals domains and cooperative interactions in single cells"的研討論文，該研討報(bào)告了一種超分辨率染色質(zhì)追尋辦法，對(duì)了解基因組結(jié)構(gòu)在從增強(qiáng)子-發(fā)動(dòng)子到基因組劃分等多種生物學(xué)過程中的效果具有重要意義，有望提醒染色體安排結(jié)構(gòu)的潛在機(jī)制和功用意義。
經(jīng)過RNAP轉(zhuǎn)錄期間單個(gè)堿基對(duì)的DNA旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)過程，由ORBIT檢測(cè)
2019年7月17日，哈佛大學(xué)莊小威團(tuán)隊(duì)在Nature在線發(fā)表題為“Rotation tracking of genome-processing enzymes using DNA origami rotors”的研究論文,該研究通過應(yīng)用ORBIT跟蹤RecBCD介導(dǎo)的DNA解旋，揭示了RecBCD啟動(dòng)的機(jī)制；當(dāng)應(yīng)用于RNAP的研究時(shí)，ORBIT允許研究人員在轉(zhuǎn)錄過程中觀察單堿基對(duì)的旋轉(zhuǎn)步驟。研究證明了DNA納米技術(shù)在機(jī)械研究中擴(kuò)增生物分子運(yùn)動(dòng)的能力。考慮到該方法的旋轉(zhuǎn)跟蹤功能僅需要標(biāo)準(zhǔn)熒光顯微鏡，并且折紙轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性可以輕松定制，ORBIT將在旋轉(zhuǎn)測(cè)量和酶機(jī)制研究中有廣泛的應(yīng)用。結(jié)合使用外部電場(chǎng)操縱DNA折紙的能力，該方法可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單分子力和扭矩光譜的高通量平臺(tái)。
該研究描述了在RecBCD誘導(dǎo)的DNA解旋期間發(fā)生的一系列事件-包括起始，進(jìn)行性易位，暫停和回溯-并且揭示了涉及可逆的ATP非依賴性DNA展開和RecB運(yùn)動(dòng)的參與的起始機(jī)制。在通過RNAP轉(zhuǎn)錄期間，研究人員直接觀察到對(duì)應(yīng)于單堿基對(duì)的解旋的旋轉(zhuǎn)步驟。ORBIT將能夠研究蛋白質(zhì)和DNA之間的廣泛相互作用。
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莊小威，1991年獲得中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1996獲得加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)任美國(guó)科學(xué)院院士、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究院研究員、哈佛大學(xué)物理系、化學(xué)與化學(xué)生物系終身教授。莊小威曾解釋，細(xì)胞內(nèi)的各個(gè)分子的間隔因?yàn)檫^小而顯得“擁擠”，這些過于“擁擠”的分子在顯微成像過程中的成像光斑相互交疊，從而不能被清晰地分辨彼此的現(xiàn)象，即阿貝光學(xué)衍射極限。她采用分時(shí)、逐點(diǎn)地對(duì)細(xì)胞內(nèi)“擁擠”的各個(gè)分子進(jìn)行成像，并加以定位分析，最后把各個(gè)分子的定位點(diǎn)重構(gòu)在同一張圖像上，進(jìn)而得到超分辨率的生物圖像，即隨機(jī)光學(xué)重建顯微技術(shù)。近年來(lái)，莊小威發(fā)明的超微成像光學(xué)—STORM技術(shù)使得熒光顯微技術(shù)的分辨能力達(dá)到了納米尺度，促進(jìn)了生物影像學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和單細(xì)胞定量轉(zhuǎn)錄組學(xué)等的研究和發(fā)展。（據(jù)中國(guó)科大網(wǎng)站）
