哈佛大學莊小威研究團隊研發(fā)了一項新的單分子成像技術(shù)，通過DNA折紙轉(zhuǎn)子對基因組加工酶的旋轉(zhuǎn)行為進行追蹤。這一研究成果發(fā)表在2019年8月1日出版的國際學術(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)，其采用熒光標記的DNA折紙轉(zhuǎn)子在單分子水平以毫秒的時間分辨率記錄DNA旋轉(zhuǎn)。研究人員使用ORBIT技術(shù)追蹤了由RecBCD復合物（一種參與DNA修復的解旋酶）解旋時以及RNA聚合酶介導的轉(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制，這包括了可逆的不依賴ATP消耗的DNA展開以及RecB馬達的參與。在RNA聚合酶進行轉(zhuǎn)錄時，研究人員直接觀察到了相應單堿基對解開時的旋轉(zhuǎn)步驟。研究人員認為ORIBIT技術(shù)可應用于蛋白質(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，視點光學捕獲和磁性鑷子，有助于提醒一系列基因組加工酶的效果機制，包含RNA聚合酶（RNAP），gyrase，病毒DNA包裝機器和DNA重組酶。雖然旋轉(zhuǎn)丈量有或許改動咱們對基因組處理反響的了解，但丈量DNA旋轉(zhuǎn)仍然是一項艱巨的使命。現(xiàn)有辦法的時間分辨率不足以盯梢在生理條件下由許多酶誘導的旋轉(zhuǎn)，而且丈量通量一般較低。
2018年11月1號，哈佛大學莊小威等人在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，該研討界說了在雄性和雌性小鼠的社會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)。
運用ORBIT進行單分子DNA旋轉(zhuǎn)丈量
2018年10月26號，哈佛大學莊小威等人在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，該研討報告了一種超分辨率染色質(zhì)追尋辦法，對了解基因組結(jié)構(gòu)在從增強子-發(fā)動子到基因組劃分等多種生物學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)的潛在機制和功用意義。
經(jīng)過RNAP轉(zhuǎn)錄期間單個堿基對的DNA旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)過程，由ORBIT檢測
2019年7月17日，哈佛大學莊小威團隊在Nature在線發(fā)表題為“Rotation tracking of genome-processing enzymes using DNA origami rotors”的研究論文,該研究通過應用ORBIT跟蹤RecBCD介導的DNA解旋，揭示了RecBCD啟動的機制；當應用于RNAP的研究時，ORBIT允許研究人員在轉(zhuǎn)錄過程中觀察單堿基對的旋轉(zhuǎn)步驟。研究證明了DNA納米技術(shù)在機械研究中擴增生物分子運動的能力?？紤]到該方法的旋轉(zhuǎn)跟蹤功能僅需要標準熒光顯微鏡，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)測量和酶機制研究中有廣泛的應用。結(jié)合使用外部電場操縱DNA折紙的能力，該方法可以進一步實現(xiàn)單分子力和扭矩光譜的高通量平臺。
該研究描述了在RecBCD誘導的DNA解旋期間發(fā)生的一系列事件-包括起始，進行性易位，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運動的參與的起始機制。在通過RNAP轉(zhuǎn)錄期間，研究人員直接觀察到對應于單堿基對的解旋的旋轉(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年獲得中國科學技術(shù)大學物理學學士學位，1996獲得加州大學伯克利分校物理學博士學位?，F(xiàn)任美國科學院院士、霍華德休斯醫(yī)學研究院研究員、哈佛大學物理系、化學與化學生物系終身教授。莊小威曾解釋，細胞內(nèi)的各個分子的間隔因為過小而顯得“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，即阿貝光學衍射極限。她采用分時、逐點地對細胞內(nèi)“擁擠”的各個分子進行成像，并加以定位分析，最后把各個分子的定位點重構(gòu)在同一張圖像上，進而得到超分辨率的生物圖像，即隨機光學重建顯微技術(shù)。近年來，莊小威發(fā)明的超微成像光學—STORM技術(shù)使得熒光顯微技術(shù)的分辨能力達到了納米尺度，促進了生物影像學、細胞生物學、神經(jīng)生物學和單細胞定量轉(zhuǎn)錄組學等的研究和發(fā)展。（據(jù)中國科大網(wǎng)站）
