近日，哈佛大学庄小威研究团队研发了一项新的单分子成像技术，通过DNA折纸转子对基因组加工酶的旋转行为进行追踪。这一研究成果发表在2019年8月1日出版的国际学术期刊《自然》上。

研究人员开发了一种基于折纸转子的成像和追踪技术(ORBIT)，其采用荧光标记的DNA折纸转子在单分子水平以毫秒的时间分辨率记录DNA旋转。研究人员使用ORBIT技术追踪了由RecBCD复合物（一种参与DNA修复的解旋酶）解旋时以及RNA聚合酶介导的转录过程中产生的DNA旋转。研究人员描绘了在RecBCD引起DNA解旋过程中发生的一系列事件，包括起始、加工易位、停顿和返回。此外，也揭示了该过程的起始机制，这包括了可逆的不依赖ATP消耗的DNA展开以及RecB马达的参与。在RNA聚合酶进行转录时，研究人员直接观察到了相应单碱基对解开时的旋转步骤。研究人员认为ORIBIT技术可应用于蛋白质与DNA之间广泛相互作用的研究。

据介绍，许多基因组加工反应，包括转录，复制和修复，都会产生DNA旋转。一些直接测量DNA旋转的方法，如转珠跟踪、角度光学捕获和磁镊，有助于解开一系列基因组加工酶的作用机制，包括RNA聚合酶、促旋酶、病毒DNA封装马达和DNA重组酶等。尽管旋转测量有可能改变人们对基因组加工反应的理解，但测量DNA旋转仍然是一个艰巨的任务。现有方法的时间分辨率不足以在生理条件下记录各种酶引起的DNA旋转，并且测量通量往往较低。

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庄小威教授，1991年获得中国科学技术大学物理学学士学位，1996获得加州大学伯克利分校物理学博士学位。现任美国科学院院士、霍华德休斯医学研究院研究员、哈佛大学物理系、化学与化学生物系终身教授。庄小威曾解释，细胞内的各个分子的间隔因为过小而显得“拥挤”，这些过于“拥挤”的分子在显微成像过程中的成像光斑相互交叠，从而不能被清晰地分辨彼此的现象，即阿贝光学衍射极限。她采用分时、逐点地对细胞内“拥挤”的各个分子进行成像，并加以定位分析，最后把各个分子的定位点重构在同一张图像上，进而得到超分辨率的生物图像，即随机光学重建显微技术。近年来，庄小威发明的超微成像光学—STORM技术使得荧光显微技术的分辨能力达到了纳米尺度，促进了生物影像学、细胞生物学、神经生物学和单细胞定量转录组学等的研究和发展。（据中国科大网站）

附：英文原文

Title: Rotation tracking of genome-processing enzymes using DNA origami rotors

Author: Pallav Kosuri, Benjamin D. Altheimer, Mingjie Dai, Peng Yin, Xiaowei Zhuang

Issue&Volume: Volume 572 Issue 7767

Abstract: Many genome-processing reactions, including transcription, replication and repair, generate DNA rotation. Methods that directly measure DNA rotation, such as rotor bead tracking, angular optical trapping and magnetic tweezers, have helped to unravel the action mechanisms of a range of genome-processing enzymes that includes RNA polymerase (RNAP), gyrase, a viral DNA packaging motor and DNA recombination enzymes. Despite the potential of rotation measurements to transform our understanding of genome-processing reactions, measuring DNA rotation remains a difficult task. The time resolution of existing methods is insufficient for tracking the rotation induced by many enzymes under physiological conditions, and the measurement throughput is typically low. Here we introduce origami-rotor-based imaging and tracking (ORBIT), a method that uses fluorescently labelled DNA origami rotors to track DNA rotation at the single-molecule level with a time resolution of milliseconds. We used ORBIT to track the DNA rotations that result from unwinding by the RecBCD complex, a helicase that is involved in DNA repair, as well as from transcription by RNAP. We characterized a series of events that occur during RecBCD-induced DNA unwindingincluding initiation, processive translocation, pausing and backtrackingand revealed an initiation mechanism that involves reversible ATP-independent DNA unwinding and engagement of the RecB motor. During transcription by RNAP, we directly observed rotational steps that correspond to the unwinding of single base pairs. We envisage that ORBIT will enable studies of a wide range of interactions between proteins and DNA.

DOI: 10.1038/s41586-019-1397-7

Source: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1397-7