李雪梅/饶子和/陈瑜涛合作最新Science子刊

IIA型拓扑异构酶通过协同切割门控DNA片段与转运DNA片段穿行来调控DNA拓扑结构——这一机制在物种间高度保守，并对多种细胞过程至关重要。尽管门控片段交互作用已得到广泛研究，但转运片段捕获的直接结构证据一直难以获得，限制了对完整催化循环的理解。

2025年12月17日，中国科学院生物物理研究所李雪梅，饶子和和陈瑜涛共同通讯在Science Advances在线发表题为“Direct trapping of the transport-segment DNA by the central domain of type IIA topoisomerases”的研究论文。该研究报道了T4噬菌体II型拓扑异构酶与转运DNA片段直接结合于其中心结构域的冷冻电镜结构。

该结构揭示了中心结构域为容纳转运DNA片段而发生的构象重排，提示了一种可能的事件序列：酶沿松散结合并重新连接的门控片段滑动，可能先于转运片段穿过卷曲螺旋门。通过突变与生化实验验证，本研究提供了前所未有的机制见解，并为开发新一代IIA型拓扑异构酶抑制剂开辟了潜在途径。

DNA的双螺旋结构在复制、转录、重组和染色体分离等关键细胞过程中，会不可避免地产生拓扑学挑战——如超螺旋、打结和缠结。若这些约束无法解除，将导致细胞死亡。DNA拓扑异构酶分为I型和II型，是一类通过短暂切断DNA骨架来解除这些拓扑问题的专用酶。I型拓扑异构酶通过产生单链断裂来松弛超螺旋DNA，从而实现链的旋转或穿行。相比之下，II型拓扑异构酶在门控DNA片段（G-DNA）上引入双链断裂，以允许第二个DNA双链体（称为转运DNA片段，T-DNA）通过。这些酶能够去除或引入超螺旋（例如DNA旋转酶），并解开DNA结和连环体。

根据遗传和结构特征，II型拓扑异构酶进一步分为IIA型和IIB型。细菌编码两种IIA型酶：DNA旋转酶和拓扑异构酶IV。真核生物编码一种IIA型酶，即拓扑异构酶II（Topo II），其中脊椎动物表达两种亚型——Topo IIα和Topo IIβ。此外，一些噬菌体和核质大DNA病毒，包括T偶数噬菌体和非洲猪瘟病毒（ASFV），也编码其自身版本的IIA型拓扑异构酶。IIB型拓扑异构酶，如拓扑异构酶VI，存在于古菌和植物中，与IIA型酶的结构相似性有限。

所有IIA型拓扑异构酶均具有保守的双结构域架构。N端三磷酸腺苷酶（ATPase）结构域结合并水解三磷酸腺苷（ATP），以驱动催化所需的构象变化。中央DNA结合/切割结构域（下文简称中央结构域）结合并切割G-DNA，从而实现T-DNA的穿行。真核和原核Topo II还具有具有调控作用的额外C端结构域，而病毒拓扑异构酶通常仅包含ATPase和中央结构域，这使其成为机制研究的简化模型。在最近的一项研究中，作者报道了T偶数噬菌体Topo II的几种构象状态，揭示了T4/6酶中独特的结构域组成以及G-DNA异步切割的结构基础。

模式机理图（图片源自Science Advances）

尽管ATPase和中央结构域被认为在链穿行过程中均与T-DNA结合，但结构研究主要集中于G-DNA。捕获T-DNA的直接结构证据一直有限。2018年，Laponogov等人报道了肺炎链球菌（以下简称S. pneumoniae）拓扑异构酶IV的ATPase结构域与T-DNA双链体结合的晶体结构，首次提供了捕获T-DNA的直接证据。最近的一项ASFV Topo II晶体结构显示，中央结构域利用一个短DNA双链体同时结合了G-DNA和T-DNA。然而，该结构与G-DNA结合状态相比未显示出显著的构象变化，限制了对T-DNA转运动态特性的深入理解。

在本研究中，作者报道了T4噬菌体Topo II中央结构域与T-DNA结合的一个先前未确定的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构。观察到的构象更类似于非结合状态，而非G-DNA结合状态。结合与松散结合的G-DNA一致的可区分密度，作者提出了一个替代模型：在T-DNA穿过卷曲螺旋门（C门）之前，G-DNA已被连接，且酶沿着松散结合的G-DNA滑动。突变分析表明，C门中的残基Arg375对T-DNA链的穿行至关重要。此外，G-DNA结合结构揭示了两个催化中心之间的不对称性，支持了作者之前的发现以及近期关于G-DNA异步切割的观察结果。总之，作者的研究结果为理解T-DNA转运机制提供了新见解，并为设计新型IIA型拓扑异构酶抑制剂提供了策略依据。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw2839