DNA回旋酶研究新突破：冷凍電鏡揭示關鍵機制

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。新研究在這一領域取得了突破性進展。

近日，來自約翰·因尼斯中心、杜倫大學和波蘭雅蓋隆大學的研究人員在《美國國家科學院院刊》（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）技術揭示DNA回旋酶的結構與機制

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

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，以2.3?的分辨率解析了大腸桿菌DNA回旋酶的完整結構。這項技術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)現回旋酶如何通過伸展的蛋白質"臂"環(huán)繞DNA，形成8字形環(huán)。

研究意義

這一發(fā)現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)調的多部分系統(tǒng)，每個部分都按照精確的順序移動，以實現DNA超螺旋。推動了我們對細菌生物學的理解，為設計新的抗生素提供了希望。這些新型抗生素可以繞過現有的耐藥機制，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結合狀態(tài)下的催化位點結構，發(fā)現藥物通過單一金屬離子橋聯，與G片段形成穩(wěn)定的藥物-酶-DNA復合物，從而阻止了酶的切割反應。

核苷酸結合用綠色六邊形（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)現中的重要性不可忽視，它為科學家提供了前所未有的分辨率和精確度，揭示了回旋酶的復雜結構和功能機制，為抗耐藥細菌的治療開辟了全新的可能性。