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DNA超螺旋
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概述
DNA超螺旋（DNA supercoiling）是指DNA双螺旋链在某些情况下扭转时产生的更高级别的三维卷曲结构[1]。当末端固定或呈环状的DNA双螺旋链发生扭转时，扭转应力无法通过旋转末端来释放，便会产生超螺旋现象。
DNA的超螺旋是一种普遍存在的现象，它存在于所有类型的细胞中，包括细菌（Prokaryotes）、古菌（Archaea）和真核生物（Eukaryotes）这三大生命域[2]。这一存在形式对于将庞大的DNA分子紧密压缩并容纳于细胞核内至关重要[3][2][4]。此外，超螺旋结构也深刻影响着DNA的复制和转录等关键生物学过程[5][6][7]。
超螺旋结构的成因
超螺旋结构的成因，是DNA双螺旋结构内部引入了结构性张力（Structural Strain），而DNA分子有着缓解张力的趋势，便进一步盘绕成超螺旋结构。结构性张力的引入，主要由细胞内的拓扑异构酶（Topoisomerase）造成。这两种拓扑酶拓扑异构酶能暂时性地切断DNA的一股或两股链，让DNA链段移动或旋转后，再将切口重新连接。这一过程会对DNA分子拓扑结构的关键参数——连环数（linking number）产生影响。不同的拓扑异构酶具有不同的切割和连接模式，对连环数产生的影响也不同。简单来说，拓扑异构酶主要分为两种类型：
- I 型拓扑异构酶（Type I Topoisomerase） ：通过切断DNA双螺旋中的一股，使其旋转以改变连环数。此类拓扑异构酶每次作用通常改变1个连环数（ΔL = ±1）。
- II 型拓扑异构酶（Type II Topoisomerase） ：同时切断DNA的两股，让另一段双螺旋DNA穿过此缺口后再重新连接。此类拓扑异构酶每次作用通常改变2个连环数（ΔL = ±2）。
在这两种拓扑异构酶的作用下，DNA分子碱基对数目不变但连环数发生增加或减少，从而导致额外张力的产生。
如果DNA链条的末端处于能够自由旋转的状态，额外张力就能够通过自由末端的扭转释放出去，从而将每个连环中的碱基数目恢复至正常。然而，真核细胞的细胞核内DNA链条往往并非杂乱自由的状态，而是高度有序的结构，并且往往被组织成一系列的环状结构域（loop domains）。这些环的基部会锚定在一个被称为“核基质”或“核骨架”的蛋白网络上[8][9]。这种锚定方式意味着，尽管整条染色体是线性的，但它被分成了许多个拓扑学上独立的闭合区域。在这些环状结构域内，DNA的旋转受到限制，其行为类似于环状DNA[9]。由于末端被锚定，双链的结构性张力无法通过末端的旋转释放，从而导致了超螺旋的产生。
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超螺旋结构的种类
DNA超螺旋根据其缠绕方向可分为两种：
- 正超螺旋（Positive Supercoiling）：当DNA的额外扭转方向与其双螺旋本身的右手螺旋方向相同时，称为正超螺旋。这相当于过度旋紧的状态。
- 负超螺旋（Negative Supercoiling）：当扭转方向与双螺旋方向相反时，称为负超螺旋，相当于旋松的状态。自然界中，大多数生物体的DNA都处于负超螺旋状态，这有利于DNA双链的局部解开，从而促进DNA的复制与转录过程。
按照超螺旋的具体形态，也可分为两种[10]：
怀特公式
扭转数（T；twisting number）绞拧数（W；writhing number）与环绕数（L；Linking number）之间的关系可写成：
- L = T + W
- L（环绕数）定义为当一个环状双螺旋DNA分子平铺在平面时，一条链跨越另一条链的次数；
- T（扭转数）指一条链绕双螺旋假想轴缠绕的圈数
- W（缠绕数）亦称为超螺旋数（Number Of Turns Of Superhelix）。
一般情况下，大多数生物体的DNA是负超螺旋[11]。
生物学功能与临床意义
在生物体内，DNA普遍以超螺旋的形式存在，细胞内的DNA会在这两种拓扑异构酶的持续作用下，动态地在放松与旋紧状态间转换[12]。这一现象对于将庞大的DNA分子紧密压缩并容纳于细胞核内至关重要[3][2][4]——真核生物的DNA包装，从核小体（ solenoidal supercoiling）到30纳米的染色质纤维，再到更高级的折叠，每一层都涉及超螺旋。此外，超螺旋结构也影响着DNA的复制和转录等关键生物学过程[5][6][7]。比如：当DNA在进行自我复制时，在聚合酶的前进方向上会产生正超螺旋，需要拓扑异构酶将正超螺旋解开才能保证复制过程顺利进行。超螺旋结构对于某些生活于极端环境下的生物的DNA的稳定性也有着不容忽视的作用。比如，许多生活在极端高温环境中的超嗜热古菌拥有一个独特的酶——反向旋转酶（Reverse gyrase）[13][14]。这种酶能够引入正超螺旋，即“过旋”DNA[13]。研究者认为，这种正超螺旋结构能够增加DNA双螺旋的稳定性，防止其在高温下变性解链[13][14]。
正因为DNA的超螺旋结构在DNA复制和细胞分裂中扮演着不可或缺的角色，与它相关的酶尤其是拓扑异构酶已成为重要的药物靶点。许多药物通过抑制拓扑异构酶的功能，来干扰细胞（特别是快速分裂的癌细胞或细菌）的DNA螺旋结构调控，从而达到治疗效果[12]。这类药物被广泛应用于抗癌化学治疗（如伊立替康、拓扑替康）与抗生素（如环丙沙星等氟喹诺酮类药物）[15][16][17]。
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参见
参考资料
外部链接
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