近年來，在許多生命代謝過程中都觀察到了蛋白質相分離的現象，核酸分子被發現廣泛參與了調控蛋白質相分離和動態凝聚過程以及生理功能。其中，涉及RNA解旋酶的相分離現象及其相應的體內功能已被深入報道。例如，DEAD-Box家族中的眾多RNA解旋酶通過相分離在mRNA翻譯、RNP組成以及RNA最終命運等代謝過程發揮著關鍵作用。但是，與DNA解旋酶相關的相分離研究卻十分有限。此外，由于技術上的限制，直接可視化和表征核酸分子與蛋白質在相分離狀態下的相互作用仍然非常具有挑戰性。對于蛋白質如何調節共凝聚體中的核酸結構與性質目前還知之甚少。
近日，中科院上海有機化學研究所交叉中心劉聰課題組與上?？萍即髮W生命科學與技術學院孫博課題組合作在學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上在線發表了題為“Bloom syndrome helicase compresses single-stranded DNA into phase-separated condensates”（布魯姆解旋酶通過相分離壓縮單鏈DNA形成共凝聚體）的研究論文。研究人員利用熒光光鑷技術，在單分子水平發現布魯姆解旋酶（Bloom syndrome helicase，BLM）與單鏈DNA（single-stranded DNA，ssDNA）通過相分離形成蛋白-核酸共聚體的互作新模式。
BLM是RecQ家族中一種重要的DNA解旋酶，廣泛參與了維持基因組的完整性和穩定性的代謝過程。BLM的功能缺失、突變可導致一種罕見的常染色體隱性遺傳病，即布魯姆綜合征，具有顯著的遺傳不穩定性。更重要的是，在多種癌癥組織中，如乳腺癌和淋巴瘤等，均發現了高表達的BLM蛋白。BLM的過表達同樣被認為與基因組不穩定性密切相關。然而，與BLM過表達相關的基因組不穩定和癌癥發病率增加的分子機制仍在很大程度上未知。
本工作中，研究人員利用熒光光鑷技術，在單分子水平上發現了高濃度的BLM蛋白可以在解旋雙鏈DNA（double-stranded DNA，dsDNA）后壓縮新生成的ssDNA并形成凝聚體。進一步研究表明BLM本身具有很強的相分離能力，形成的蛋白凝聚體會經歷快速的液-固相相轉變形成凝膠態，而ssDNA能夠與BLM共分相并加速共凝聚體向膠態的轉變 (圖1)。
圖1 ssDNA促進BLM相分離并形成動態阻滯的BLM/ssDNA共凝聚體
研究人員通過熒光光鑷技術發現，BLM能夠與ssDNA共凝聚并導致ssDNA的壓縮，其在ATP水解的驅動下，可以抵抗數十皮牛的阻力（圖2）。此外，BLM還能夠通過移除與ssDNA結合的RPA或RAD51蛋白來壓縮ssDNA，這也為BLM作為抗重組酶，參與同源重組修復過程中的抗重組功能提供了新的證據。進一步研究表明，單鏈DNA促進了動態阻滯的BLM凝聚體的形成，導致其可逆性明顯降低。
圖2 ATP水解幫助BLM抵抗外力與ssDNA的共凝聚
綜上，本工作展示了DNA解旋酶BLM具有很強的相分離能力，并且其凝聚過程受ssDNA的動態調控，在單分子水平上展示了BLM與ssDNA共凝聚過程中的抗阻力特性和低可逆性。同時，該工作也為BLM過表達導致基因組不穩定的分子機制及其在同源重組中的抗重組功能提供了新的見解。
該論文中，孫博課題組2019級博士生王滕及劉聰課題組2020級博士生胡姣姣為共同第一作者，孫博教授與劉聰研究員為共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委及上海市科委等基金的支持。
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