Science：丙型肝炎病毒解链酶NS3的作用

：基因复制过程神秘而复杂，参与的“演员”都多才多艺，而且能够近距离与其它“演员”默契配合，解链酶（helicase）便是其中的一位重量级演员。解链酶的作用是解开紧密缠绕的核酸链，以便聚合酶（polymerase）能够忠实复制每个核苷。 

    来自耶鲁大学、伊利诺斯州立大学和霍华德医学研究所的研究人员利用伊利诺斯大学研制的一种跟踪单个RNA或DNA分子解链过程的技术，研究丙型肝炎病毒解链酶的作用。详细内容刊登于近期Science杂志。

    弄清复制的潜在机制并非易事。结构学研究涉及到结晶DNA－蛋白复合体，观察它们作用的方式；生化学家着眼于反应的试剂，使用的能量以及各阶段的时间。这种研究同时测量成千上万个分子的行为，描述反应的全部参与者。

   利用单分子荧光分析技术，研究小组跟踪丙型肝炎病毒解链酶NS3解开双链区有荧光标签的双链DNA分子。（NS3解链酶起初与肝炎病毒单链RNA放松有关，但也能够作用于DNA，说明这种解链酶在感染过程中，可能参与了解开宿主双链DNA的工作。）

    随着双链分离，通过跟踪两个被标记的核苷之间越来越远的距离，研究人员能够测量解链速度。他们发现DNA解链位点是离散跳跃的：三个核苷对（碱基对）在解链之前彼此放松。“好像对弹簧施加张力，”研究人员Taekjip  Ha说，“你为弹簧加上小的机械运动，直到DNA-蛋白复合体上聚集了引发三碱基对快速解链所需的足够张力。”

    这种反应是强烈的，需要三磷酸腺苷ATP（细胞能源）。研究结果显示每个解链反应需要消耗三个ATP分子，提示三个“隐藏步骤”每个解开一个碱基对。

    尽管一个ATP所含的能量能够解开10个碱基对，但研究人员对这种高耗能反应并不感到奇怪。“复制过程中，解链酶与聚合酶手挽手，因此解链酶一次作用于一对碱基很合理，”研究小组带头人Sua  Myong说，“这非常成体系，一个碱基对移动有助于聚合酶精确拷贝基因，每次拷贝一个碱基。” 

    解链酶也要绕过一系列障碍：与复制有关的蛋白和其它辅助因子，这需要额外的能量。他将NS3解链酶对能量的需求比作运载车的运动对能量的需求，发展一种低耗能的发动机是有意义的，因为需要额外的能量完成额外的工作。

    Myong注意到,NS3是病毒基因组中唯一的解链酶，也属于四大解链酶超家族，因此新发现具有普遍意义。

原始出处:

Science 27 July 2007:
Vol. 317. no. 5837, pp. 513 - 516
DOI: 10.1126/science.1144130

Spring-Loaded Mechanism of DNA Unwinding by Hepatitis C Virus NS3 Helicase

Sua Myong,1,2* Michael M. Bruno,3,4 Anna M. Pyle,3,4 Taekjip Ha1,2,4

NS3, an essential helicase for replication of hepatitis C virus, is a model enzyme for investigating helicase function. Using single-molecule fluorescence analysis, we showed that NS3 unwinds DNA in discrete steps of about three base pairs (bp). Dwell time analysis indicated that about three hidden steps are required before a 3-bp step is taken. Taking into account the available structural data, we propose a spring-loaded mechanism in which several steps of one nucleotide per adenosine triphosphate molecule accumulate tension on the protein-DNA complex, which is relieved periodically via a burst of 3-bp unwinding. NS3 appears to shelter the displaced strand during unwinding, and, upon encountering a barrier or after unwinding >18 bp, it snaps or slips backward rapidly and repeats unwinding many times in succession. Such repetitive unwinding behavior over a short stretch of duplex may help to keep secondary structures resolved during viral genome replication.

1 Physics Department, University of Illinois, 1110 West Green Street, Urbana, IL 61801, USA.
2 Institute for Genomic Biology, University of Illinois, 1206 West Gregory Drive, Urbana, IL 61801, USA.
3 Molecular Biophysics and Biochemistry, Yale University, 266 Whitney Avenue, Room 334A, Bass Building, New Haven, CT 06511, USA.
4 Howard Hughes Medical Institute.

* To whom correspondence should be addressed. E-mail: smyong@uiuc.edu

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