激光驱动的镊子揭示了病毒用于包装DNA的通用机制

研究人员使用激光驱动的“光镊子”揭示了病毒用于将DNA包装成传染性颗粒的通用运动机制。

这项研究作为经过审查的预印本发表在eLife上，编辑们将其描述为一项基础研究，可能会改变我们对病毒DNA马达如何工作以及运动复合体中单个蛋白质的精确作用的理解。他们补充说，这些实验为研究结论提供了令人信服的证据。

许多病毒，包括影响人类的疱疹病毒等病毒，都使用由ATP分子驱动的微型马达，将其遗传物质包装到称为原衣壳的预组装外壳中。了解这些电机的工作原理不仅对于抗病毒药物的设计很重要，而且还有助于了解适用于细胞内其他类型电机的一般电机机制。

光镊是一种利用激光来固定和移动亚微观粒子的方法。它们首先由ArthurAshkin开发，他后来因这项创新而获得了2018年诺贝尔物理学奖。这些镊子可以对DNA马达进行更详细的研究，包括称为终止酶的关键成分酶的作用。然而，关于电机与DNA相互作用的本质，还有很多事情有待了解，例如电机如何抓住DNA以及是什么导致电机暂停或打滑。

“研究表明ATP结合导致DNA马达抓住DNA，并且ATP分解成ADP使其释放，”美国加州大学圣地亚哥分校物理系学生、第一作者BrandonRawson说

“为了更详细地探讨这种相互作用，我们之前开发了一种改进的光镊方法来研究一种称为噬菌体T4的细菌病毒的运动，该病毒含有一种称为TerL的运动蛋白，并表明ATP不仅触发TerL抓住DNA，还控制“在滑动过程中，运动和DNA之间的摩擦也是如此。在这项研究中，我们将其扩展到包含TerL和鲜为人知的成分蛋白TerS的运动复合体，以了解它们如何协同工作来控制病毒基因组包装。”

研究小组研究了含有来自一种名为lambda噬菌体的细菌病毒的TerL和TerS的基因组包装马达，该病毒使用与人类疱疹病毒类似的包装过程。当这些病毒复制时，它们会产生基因组的多个连锁副本，然后需要将其剪断并将每个基因组单独包装。

病毒这样做的一种方式称为“单位长度”基因组包装。简而言之，TerS亚基在遇到基因组中称为cos的特定位点时启动包装。TerL然后切割基因组并将包装(DNA易位)驱动到原衣壳中，直到遇到另一个cos位点。此时，电机停止，TerL切割DNA以释放包装的颗粒。尽管TerL在易位和终止阶段的作用已知，但TerS在易位过程中是否发挥作用尚不清楚。

通过在同一个实验中将TerL和TerS作为功能马达进行研究，研究小组注意到，在TerS和TerL都存在的情况下，即使没有可用的ATP，DNA抓取也会更加频繁，马达与DNA之间的摩擦也会更加频繁。在之前的实验中，当仅存在TerL时，没有观察到这一点。

当添加ATP或ADP时，抓握力和摩擦力进一步增加，表明运动DNA相互作用有两种机制：核苷酸依赖性和核苷酸非依赖性。当ATP与电机结合时，DNA抓握最强;当ADP附着时，DNA抓握较弱;当根本没有核苷酸结合时，DNA抓握最弱。

在之前对噬菌体T4的研究中，研究小组还发现了一种DNA“末端夹”，可以防止整个DNA分子在包装过程中向后滑出衣壳。在这项研究中，他们发现lambda噬菌体也具有这种机制。如果DNA滑动到完全脱落的程度，即使不存在ATP，它的末端也会被卡住，从而防止其与原衣壳分离。

“我们目前的研究基于对使用不同包装机制的病毒的研究，揭示了终止酶马达的普遍特征，并提出了保守的TerS亚基在DNA包装过程中的作用，”资深作者、加州大学圣地亚哥分校物理学教授道格拉斯·史密斯(DouglasSmith)说。

“这些发现支持由TerL蛋白传递的终止酶运动功能的保守通用机制，但也强调了系统之间的一个关键区别——含有TerS的运动中更频繁的DNA抓握，这表明TerS起到滑动夹的作用。端夹机制还提高了包装效率，并且可能相当于包装开始时形成的复合物，这意味着我们的方法可以提供一种途径来探索影响该复合物稳定性的因素。”