饶子和研究组解析II型拓扑异构酶捕获转运片段DNA的关键结构

　　2025年12月18日，中国科学院生物物理研究所饶子和院士研究团队在《Science Advances》杂志发表了题为"Direct trapping of the transport-segment DNA by the central domain of type IIA topoisomerases"的研究论文。该研究首次解析了II 型 DNA 拓扑异构酶直接结合转运片段DNA（Transport-segment DNA or T-DNA）的冷冻电镜结构。该工作以 T4 噬菌体II型拓扑异构酶作为研究对象，揭示了这一类酶在催化反应循环中长期缺失的中间结构状态，对理解其完整工作机制具有重要意义。

图：T4噬菌体II型DNA拓扑异构酶中心结构域Apo状态、结合G-DNA以及结合T-DNA的冷冻电镜结构

　　II型DNA拓扑异构酶通过暂时切断"门片段DNA"（Gate-segment DNA or G-DNA），使另一条双链DNA（T-DNA）通过，从而解决复制、转录及染色体分离过程中产生的超螺旋与缠结问题，是维持染色体拓扑稳定性不可或缺的酶类。尽管与G-DNA结合的II型拓扑异构酶的结构已在过往的研究中被部分解析，但对于T-DNA被酶捕获和转运这一关键步骤，长期缺乏直接的结构证据，是该领域研究的重要空缺。

　　该研究首次通过冷冻电镜技术解析了溶液条件下T-DNA被稳定捕获于II型拓扑异构酶中央腔室的三维结构（分辨率约3 Å）。研究显示，该构象与传统的G-DNA结合构象明显不同，它更接近酶的apo状态；此外，在电子密度图中可观察到松散结合的G-DNA信号，暗示该构象可能发生于G-DNA被切割并重新连接之后。基于该结构证据，研究人员提出酶可能沿着已连接但暂时未释放的G-DNA滑动，从而完成高效的连续催化。突变实验进一步表明，位于C 门区域的氨基酸残基Arg375对T-DNA的转运至关重要，其电荷性质的改变会显著抑制酶的松弛超螺旋活性。该发现提示C门区域可能成为未来II型拓扑异构酶抑制剂的重要靶点。

　　该成果为II型DNA拓扑异构酶的完整催化模型提供了关键结构基础，并为设计针对T-DNA转运过程的抗感染和抗肿瘤药物提供了新的方向。

　　中国科学院生物物理研究所饶子和院士、陈瑜涛副研究员和李雪梅研究员为论文的共同通讯作者，博士研究生辛煜辉为第一作者，硕士研究生鲜润奇、刘丛荣、张偶佳参与了研究工作。该研究得到国家自然科学基金委、中国科学院的经费支持。

　　文章链接：

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

（供稿：饶子和研究组）