摘要：六聚体解旋酶（hexameric helicase）是核苷酸驱动的分子机器，它解除DNA，启动生命所有领域的复制。尽管经过了几十年的深入研究，它们功能的几个关键方面仍未得到解决：DNA链分离的位置和机制，解绕增殖（unwinding propagation）的
六聚体解旋酶（hexameric helicase）是核苷酸驱动的分子机器，它解除DNA，启动生命所有领域的复制。尽管经过了几十年的深入研究，它们功能的几个关键方面仍未得到解决：DNA链分离的位置和机制，解绕增殖（unwinding propagation）的机制，以及核苷酸水解与DNA运动之间的动态关系。这篇文章使用冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy，cryo-EM），发现猿猴病毒40大肿瘤抗原（large tumour antigen，LTag）解旋酶在复制起点以头对头六聚体（head-to-head hexamer）的形式组装，在两个对称位置熔化DNA以建立双向复制叉。通过连续的异质性分析（continuous heterogeneity analysis），描述了催化条件下分叉DNA上LTag的构象景观，证明了驱动DNA易位和解绕的协调运动。表明，解旋酶将跟踪链（ tracking strand ）拉过沿中心通道排列的DNA结合环，同时将非跟踪链引导出后方，这是一个循环过程。ATP水解起着熵开关（entropy switch）的作用，去除易位（translocation）障碍，而不是直接为DNA运动提供动力。该结构显示了核苷酸周转和亚基运动之间的变构耦合（allosteric coupling），使DNA解绕，同时为分离的链保持专用的退出路径。这些发现为从病毒到真核系统的复制叉的建立和发展提供了一个全面的模型。更广泛地说，他们介绍了ATP依赖酶通过熵驱动变构（entropy-driven allostery）实现有效机械功的机制的基本原理。
DNA复制是细胞分裂的关键步骤，也是生命体生存与繁殖不可或缺的基础过程。我们都知道DNA有两条互补的链，它会以一种双螺旋的形式存在，各种化学键会负责维持稳定的螺旋结构。因此，DNA想要实现复制，第一步就是要解开螺旋结构，让双链DNA变成单链DNA。
科学家们早已发现，这个重任主要由六聚体的解旋酶完成。在DNA复制过程中，解旋酶能够快速解开双链DNA，为复制酶提供单链模板，确保遗传信息的准确传递；在DNA重组过程中，解旋酶会帮助DNA分子进行结构重组，促进基因的多样性和适应性。然而，这个看似机械的过程却隐藏着诸多未解之谜，比如解旋酶如何选择切入点？ATP如何帮助解旋过程？
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近期，《自然》杂志上的一项研究成功解答了上述问题。研究者借助冷冻电镜（cryo-EM）技术，揭示了猿猴病毒40（SV40）LTag解旋酶在DNA复制过程中的结构动态。研究在原子层面揭示了DNA、解旋酶、ATP之间的相互作用，以及三者如何协同促成了DNA螺旋解开。这是迄今为止科学家对DNA复制第一步最细节的描述，代表着解旋酶研究的一个全新里程碑。
在这项研究中，研究人员首先利用冷冻电镜技术，捕捉到了LTag解旋酶在DNA复制过程中的多个构象状态。随后他们通过连续异质性分析（continuous heterogeneity analysis），成功解析了LTag在催化条件下与叉状DNA结合的构象景观，以及DNA移位和解旋的协调运动。
首先来看，LTag由两个层级组成（N层和C层），会形成对称的六聚体环状结构。N层负责稳定整个分子，C层的ATP活性区域则是驱动DNA移动的核心引擎。在复制起点，LTag以"头对头"的二聚体形式组装，同时在两个对称位点切割DNA，形成双向复制叉。每个解旋酶六聚体通过六个DNA结合环抓住单链DNA。
▲LTag解旋酶结构示意图（图片来源：原始论文[1]）
在DNA结合环插入DNA双链后，LTag会断开DNA双链间的氢键。通常来说，复制起点会选择在一个富含A-T碱基对的区域。这些区域的碱基间作用力较弱，是复制起始的理想起点。
更加值得关注的是，研究发现了一种特殊的ATP驱动方式——熵变开关（entropy switch），它会通过移除DNA链上的移位障碍，而非直接驱动DNA运动来实现解旋。这也颠覆了传统观点认为ATP水解直接为DNA解旋提供动力的认知。
具体来说，当ATP水解发生时，位于解旋酶顶部的亚基之间的界面会从ATP型转变为ADP型，这种转变导致了C层相对于N层的旋转，从而推动DNA沿着解旋酶通道移动。这一过程类似于一种“棘轮”机制，使得DNA能够逐步地通过解旋酶并实现解旋。由于该机制通过改变蛋白质构象的有序度来释放储存的弹性势能，可以帮助减少能量浪费，提高解旋酶催化效率。
▲ATP水解能够以“熵变开关”的形式推动解旋过程发生（图片来源：原始论文[1]）
研究通讯作者Alfredo De Biasio教授表示：“从设计角度来看，解旋酶是节能机械系统的典范。这种利用熵变开关设计的纳米机器可以用节能机制执行驱动任务。”
新研究不仅在分子水平上揭示了解旋酶的结构和功能，还为理解DNA复制第一步提供了重要的信息。此外，这项研究还发现病毒E1解旋酶、细菌DnaB解旋酶都存在类似的工作机制，这也为开发新的抗病毒、抗菌药物提供了重要的理论基础。
参考资料：
[1] Shahid, T., Danazumi, A.U., Tehseen, M. et al. Structural dynamics of DNA unwinding by a replicative helicase. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08766-w
来源：医学顾事
