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DNA超螺旋
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概述
DNA超螺旋（DNA supercoiling）是指DNA雙螺旋鏈在某些情況下扭轉時產生的更高級別的三維捲曲結構[1]。當末端固定或呈環狀的DNA雙螺旋鏈發生扭轉時，扭轉應力無法通過旋轉末端來釋放，便會產生超螺旋現象。
DNA的超螺旋是一種普遍存在的現象，它存在於所有類型的細胞中，包括細菌（Prokaryotes）、古菌（Archaea）和真核生物（Eukaryotes）這三大生命域[2]。這一存在形式對於將龐大的DNA分子緊密壓縮並容納於細胞核內至關重要[3][2][4]。此外，超螺旋結構也深刻影響着DNA的複製和轉錄等關鍵生物學過程[5][6][7]。
超螺旋結構的成因
超螺旋結構的成因，是DNA雙螺旋結構內部引入了結構性張力（Structural Strain），而DNA分子有着緩解張力的趨勢，便進一步盤繞成超螺旋結構。結構性張力的引入，主要由細胞內的拓撲異構酶（Topoisomerase）造成。這兩種拓撲酶拓撲異構酶能暫時性地切斷DNA的一股或兩股鏈，讓DNA鏈段移動或旋轉後，再將切口重新連接。這一過程會對DNA分子拓撲結構的關鍵參數——連環數（linking number）產生影響。不同的拓撲異構酶具有不同的切割和連接模式，對連環數產生的影響也不同。簡單來說，拓撲異構酶主要分為兩種類型：
- I 型拓撲異構酶（Type I Topoisomerase） ：通過切斷DNA雙螺旋中的一股，使其旋轉以改變連環數。此類拓撲異構酶每次作用通常改變1個連環數（ΔL = ±1）。
- II 型拓撲異構酶（Type II Topoisomerase） ：同時切斷DNA的兩股，讓另一段雙螺旋DNA穿過此缺口後再重新連接。此類拓撲異構酶每次作用通常改變2個連環數（ΔL = ±2）。
在這兩種拓撲異構酶的作用下，DNA分子鹼基對數目不變但連環數發生增加或減少，從而導致額外張力的產生。
如果DNA鏈條的末端處於能夠自由旋轉的狀態，額外張力就能夠通過自由末端的扭轉釋放出去，從而將每個連環中的鹼基數目恢復至正常。然而，真核細胞的細胞核內DNA鏈條往往並非雜亂自由的狀態，而是高度有序的結構，並且往往被組織成一系列的環狀結構域（loop domains）。這些環的基部會錨定在一個被稱為「核基質」或「核骨架」的蛋白網絡上[8][9]。這種錨定方式意味着，儘管整條染色體是線性的，但它被分成了許多個拓撲學上獨立的閉合區域。在這些環狀結構域內，DNA的旋轉受到限制，其行為類似於環狀DNA[9]。由於末端被錨定，雙鏈的結構性張力無法通過末端的旋轉釋放，從而導致了超螺旋的產生。
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超螺旋結構的種類
DNA超螺旋根據其纏繞方向可分為兩種：
- 正超螺旋（Positive Supercoiling）：當DNA的額外扭轉方向與其雙螺旋本身的右手螺旋方向相同時，稱為正超螺旋。這相當於過度旋緊的狀態。
- 負超螺旋（Negative Supercoiling）：當扭轉方向與雙螺旋方向相反時，稱為負超螺旋，相當於旋鬆的狀態。自然界中，大多數生物體的DNA都處於負超螺旋狀態，這有利於DNA雙鏈的局部解開，從而促進DNA的複製與轉錄過程。
按照超螺旋的具體形態，也可分為兩種[10]：
懷特公式
扭轉數（T；twisting number）絞擰數（W；writhing number）與環繞數（L；Linking number）之間的關係可寫成：
- L = T + W
- L（環繞數）定義為當一個環狀雙螺旋DNA分子平鋪在平面時，一條鏈跨越另一條鏈的次數；
- T（扭轉數）指一條鏈繞雙螺旋假想軸纏繞的圈數
- W（纏繞數）亦稱為超螺旋數（Number Of Turns Of Superhelix）。
一般情況下，大多數生物體的DNA是負超螺旋[11]。
生物學功能與臨床意義
在生物體內，DNA普遍以超螺旋的形式存在，細胞內的DNA會在這兩種拓撲異構酶的持續作用下，動態地在放鬆與旋緊狀態間轉換[12]。這一現象對於將龐大的DNA分子緊密壓縮並容納於細胞核內至關重要[3][2][4]——真核生物的DNA包裝，從核小體（ solenoidal supercoiling）到30納米的染色質纖維，再到更高級的摺疊，每一層都涉及超螺旋。此外，超螺旋結構也影響着DNA的複製和轉錄等關鍵生物學過程[5][6][7]。比如：當DNA在進行自我複製時，在聚合酶的前進方向上會產生正超螺旋，需要拓撲異構酶將正超螺旋解開才能保證複製過程順利進行。超螺旋結構對於某些生活於極端環境下的生物的DNA的穩定性也有着不容忽視的作用。比如，許多生活在極端高溫環境中的超嗜熱古菌擁有一個獨特的酶——反向旋轉酶（Reverse gyrase）[13][14]。這種酶能夠引入正超螺旋，即「過旋」DNA[13]。研究者認為，這種正超螺旋結構能夠增加DNA雙螺旋的穩定性，防止其在高溫下變性解鏈[13][14]。
正因為DNA的超螺旋結構在DNA複製和細胞分裂中扮演着不可或缺的角色，與它相關的酶尤其是拓撲異構酶已成為重要的藥物靶點。許多藥物通過抑制拓撲異構酶的功能，來干擾細胞（特別是快速分裂的癌細胞或細菌）的DNA螺旋結構調控，從而達到治療效果[12]。這類藥物被廣泛應用於抗癌化學治療（如伊立替康、拓撲替康）與抗生素（如環丙沙星等氟喹諾酮類藥物）[15][16][17]。
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參見
參考資料
外部連結
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