新發現的遺傳“開關”：蛋白質通過DNA“交流” 進行遠距離“對話”

據魏茲曼科學研究所的研究人員説，蛋白質可以通過DNA進行“交流”，進行遠距離“對話”，作為一種遺傳“開關”。 他們發現，蛋白質與DNA分子的一個位點結合，可以對遠處的另一個結合位點產生物理影響，而這種“同羣效應”可以激活某些基因。這種效應以前曾在人工系統中觀察到過，但魏茲曼的研究首次表明它發生在生物體的DNA中。

由化學和結構生物學系的Hagen Hofmann博士領導的團隊在研究土壤細菌枯草芽孢桿菌中的一個奇特現象時做出了這個發現。這些細菌中的一小部分表現出一種獨特的技能：通過吸收散落在它們周圍土壤中的細菌基因片段來豐富它們的基因組的能力。這種能力取決於一種叫做ComK的蛋白質，這是一種轉錄因子，它與DNA結合以激活使清掃成為可能的基因。然而，人們不知道這種激活究竟是如何進行的。

科學家Gabriel Rosenblum博士領導了這項研究，研究人員利用先進的生物物理工具--單分子FRET和低温電子顯微鏡探索了細菌的DNA。特別是，他們集中研究了ComK蛋白結合的DNA分子上的兩個位點。

他們發現，當兩個ComK分子與其中一個位點結合時，會產生一個信號，促進另外兩個ComK分子在第二個位點結合。信號可以在這些位點之間傳播，因為原始蛋白的結合所引發的物理變化會產生張力，沿着DNA傳遞，就像從一端扭動繩子一樣。一旦所有四個分子都與DNA結合，就會通過一個閾值，開啓該細菌的基因清除能力。

Rosenblum説：“我們驚訝地發現，DNA除了包含遺傳密碼外，還像一條通信電纜，在相對較長的距離內將信息從一個蛋白質結合點傳輸到另一個結合點。”

通過操縱細菌的DNA並監測這些操縱的效果，科學家們澄清了DNA內“長距離通信”的細節。他們發現，為了使兩個位點之間的“通信”或“合作”發生，這些位點必須位於彼此之間的特定距離，並且它們必須在DNA螺旋結構上面向同一方向。對這兩個條件的任何偏離--例如，增加距離--都會削弱通信。人們發現在兩個站點之間運行的遺傳字母序列對這種通訊沒有什麼影響，而DNA的斷裂則完全中斷了這種通訊，這進一步證明了這種通訊是通過物理連接發生的。

瞭解這些細節可能有助於為各種應用設計所需強度的分子開關。後者可能包括對細菌進行基因工程以清理環境污染或合成可用作藥物的酶。

Hofmann説：“DNA分子內的長距離通信是一種新型的調節機制--它為設計未來的基因電路開闢了以前無法獲得的方法。”