解旋酶是一类蛋白质，负责将DNA双链分离成单链，这是细胞中许多类型DNA交易的前体。根据其结构，解旋酶大致分为非六聚体解旋酶和六聚体解旋酶两大类。对于前一组，大量的体外实验数据表明，有的以单体形式在DNA解绕中“失活”，有的以单体形式“活跃”。本文提出，尽管它们表现出非常不同的DNA解绕活性，但所有解旋酶都使用相同的机制来解绕DNA。

图1所示。非六聚解旋酶的DNA解绕机制示意图。

我们关注的是非六聚解旋酶。一些由四个结构域(1A, 1B, 2A, 2B)组成，而另一些则没有相当于四结构域解旋酶2B的结构域。其机理如图1所示。我们开始了一个化学机械耦合周期，2A与单链DNA (ssDNA)强烈结合，而1A与ssDNA具有中间相互作用(图1A)。ATP结合闭合1A和2A之间的间隙。由于2A与ssDNA紧密结合，裂缝闭合导致1A沿着ssDNA向2A移动(图1b)。然后，裂缝闭合诱导2A的亲和力从强到弱变化，而1A的亲和力变化不敏感(图1c)。ATP水解后，ATP水解产物的释放打开了裂缝。由于现在2A与ssDNA的相互作用很弱，裂缝的打开很可能导致2A沿着ssDNA向下游移动。在下游双链存在的情况下，2A的下游运动将导致DNA解绕(有概率)P_E)(图1d)。然而，DNA解绕产生的阻力会阻碍2A的下游运动，因此，裂口打开会通过克服1A与ssDNA的中间结合能(概率为1 -)而导致1A的上游运动P_E)(图1e)。然后，裂缝打开诱导2A的亲和力从弱到强的变化(图1f / a)。

通过图1，可以定量地解释DNA解绕速度与施加于DNA双链末端以解压缩双链的外力之间的各种体外实验数据。在机制中，不同的解旋酶具有不同的值，定义为1A对ssDNA的中间亲和力与2A在DNA解绕步骤中的弱亲和力之间的差异。对于解旋酶，一个非常小的值P_E<< 1，在没有外力作用于DNA末端解压缩双链的情况下，其单体解绕活性非常弱，在体外实验中表现为“无活性”;然而，大的力可以大大增加放卷活动;二聚体形式解旋活性的大幅增加主要是由于上游解旋酶阻止了与叉附近的ssDNA结合的下游解旋酶的1A在DNA解旋步骤中上游移动，从而大大降低了无效解旋概率1 -P_E。相比之下，对于解旋酶具有较大的值，则给出较大的P_E，即使在DNA末端没有外力解压缩双链的情况下，其单体解绕活性也很高，在体外实验中表现为“活性”;大的力对放卷活动无明显影响。

谢平
中国科学院物理研究所

出版

单体和六聚解旋酶的动力学。
谢P
生物物理化学2016年4月

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