DNA回旋酶研究新突破：冷冻电镜揭示关键机制

研究成果

DNA回旋酶是一种在细菌中广泛存在的重要酶，作为抗生素的关键靶点，其研究对于开发新型抗生素具有重要意义。最新研究在这一领域取得了突破性进展。

近日，来自约翰·因尼斯中心、杜伦大学和波兰雅盖隆大学的研究人员在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了题为"Structural basis of chiral wrap and T-segment capture by Escherichia coli DNA gyrase"的研究论文。该研究揭示了DNA回旋酶的新机制，为针对耐药细菌的新型抗生素治疗提供了可能。

冷冻电镜（cryoEM）技术揭示DNA回旋酶的结构与机制

DNA回旋酶广泛存在于细菌中，它像一个微小的分子机器，精确地扭转细菌DNA，形成超螺旋结构。这种超螺旋化对于DNA的功能至关重要，如促进基因的表达、维持染色体结构的稳定以及协助DNA复制和修复过程。

该酶将DNA环绕成"8字形"环，然后精确地断裂并使链条相互穿过，再重新封闭。这是一个非常精细的过程，一旦DNA保持断裂状态，细菌将会死亡。氟喹诺酮类抗生素正是通过阻止DNA重新封闭来利用这一脆弱性过程，从而杀死细菌。然而，随着细菌对这些抗生素耐药性的增加，迫切需要更深入地了解回旋酶的功能机制。

该研究使用冷冻电镜技术，以2.3Å的分辨率解析了大肠杆菌DNA回旋酶的完整结构。这项技术使得研究团队能够首次捕捉到手性DNA环的动态特征，并捕获到了回旋酶工作的快照。

利用冷冻电子显微镜，研究团队发现回旋酶如何通过伸展的蛋白质"臂"环绕DNA，形成8字形环。

研究意义

这一发现更新了回旋酶机制的传统看法，展示了回旋酶作为一个高度协调的多部分系统，每个部分都按照精确的顺序移动，以实现DNA超螺旋。推动了我们对细菌生物学的理解，为设计新的抗生素提供了希望。这些新型抗生素可以绕过现有的耐药机制，更有针对性地阻断回旋酶，为治疗耐药细菌感染提供了新的可能性。

文献图片概览

图1. 手性包裹的大肠杆菌回旋酶复合物的整体结构和正超螺旋 DNA 环的结构。

图2. GHKL结构域的位置

图3. Gyr-Mu217-MFX 的结构及回旋酶催化机制。

通过对比无药物和MFX结合状态下的催化位点结构，发现药物通过单一金属离子桥联，与G片段形成稳定的药物-酶-DNA复合物，从而阻止了酶的切割反应。

图4.  DNA回转酶机制的更新模型。催化循环由5个阶段组成。核苷酸结合用绿色六边形（ATP）或空六边形（ADP）表示；GyrA CTD的酸性尾部以负电荷表示。

冷冻电镜在这一发现中的重要性不可忽视，它为科学家提供了前所未有的分辨率和精确度，揭示了回旋酶的复杂结构和功能机制，为抗耐药细菌的治疗开辟了全新的可能性。

部分参考来源： john innes centre

打赏