結構生物化學/核酸/DNA/超螺旋和核小體
DNA的結構 不僅以二級結構（如雙螺旋）存在，還可以透過超螺旋摺疊成自身形成三級結構。超螺旋允許環狀DNA緊湊包裝。環狀DNA仍然以雙螺旋的形式存在，但由於其以環狀形式連線，因此被認為是閉合分子。當雙螺旋進一步圍繞一個軸線盤繞並自身交叉時，就會形成超螺旋。超螺旋不僅允許DNA以緊湊的形式存在，而且盤繞的程度也透過確定雙螺旋解旋的能力來影響DNA與其他分子的相互作用。
雖然超螺旋提供了一種有序的方式來緊密壓縮DNA，但由於扭轉應力，該結構相對不穩定。為了最大限度地減少維持結構所需的能量，扭曲和纏繞的數量被最小化。扭曲是指雙螺旋圍繞超螺旋軸旋轉的圈數。纏繞是指DNA鏈的圓形變形、彎曲和整體非平面性。
超螺旋改變了DNA的形狀。超螺旋DNA分子的優點在於其可壓縮性。與相同長度的鬆弛DNA分子相比，超螺旋DNA更緊湊。這在實驗中是如何體現的呢？超螺旋DNA比鬆弛DNA移動得更快。因此，結構差異可以在電泳和離心等技術中進行分析。
超螺旋DNA可能會阻礙和促進DNA解旋，從而影響DNA與細胞中其他分子的相互作用。
1. 負超螺旋是DNA的右手螺旋，因此纏繞發生在逆時針方向。它也被稱為DNA的“欠纏繞”。
2. 正超螺旋是DNA的左手螺旋，因此纏繞發生在順時針方向。此過程也被稱為DNA的“過度纏繞”。（2017年10月23日更正 - DV，原始錯誤將負超螺旋和正超螺旋的定義顛倒了。還為超螺旋提供了更基本的清晰度）。
雖然螺旋是欠纏繞的並且具有較低的扭曲應力，但負超螺旋的結具有較高的扭曲應力。原核生物和真核生物通常具有負超螺旋DNA。負超螺旋自然普遍存在，因為負超螺旋為需要分離DNA鏈的過程做準備。例如，負超螺旋在複製中是有利的，因為它更容易解旋，而正超螺旋更濃縮，並且會使分離變得困難。
拓撲異構酶解旋以進行DNA轉錄和DNA複製。在蛋白質生成後，DNA模板透過力進行超螺旋以形成染色質。RNA聚合酶也會影響DNA鏈具有兩個不同的超螺旋方向。RNA聚合酶已透過的區域形成負超螺旋，而RNA聚合酶尚未透過的區域形成正超螺旋。透過這些過程，產生了超螺旋。
拓撲異構酶是負責引入和消除超螺旋的酶。正超螺旋和負超螺旋需要兩種不同的拓撲異構酶。這透過拓撲異構酶的特異性防止了DNA的扭曲。拓撲異構酶的兩類是I型和II型。I型刺激超螺旋DNA的鬆弛，而II型利用ATP水解的能量向DNA新增負超螺旋。這兩類拓撲異構酶在DNA轉錄、DNA複製和重組DNA中都發揮著重要作用。
拓撲異構酶形成負超螺旋的環（雙螺旋的解旋區域）。如果DNA缺乏超螺旋張力，則不會解旋超螺旋。
I型拓撲異構酶透過在DNA中產生瞬時單鏈斷裂來起作用。這進一步分類為IA型和IB型。
IA型拓撲異構酶
IA型拓撲異構酶是一種695個殘基的單體，它使負超螺旋DNA鬆弛。首先，IA型切割一條單鏈DNA並將兩個單鏈DNA環連線起來。然後它透過一圈解旋超螺旋雙鏈DNA。IA型具有特定的鏈通路徑機制，即用單鏈DNA孵育IA型導致透過磷酸-酪氨酸二酯鍵產生線性DNA。
IB型拓撲異構酶
IB型介導了一種受控旋轉機制來鬆弛負超螺旋和正超螺旋。IB型透過活性位點酪氨酸對DNA的親核攻擊切割雙鏈DNA的一條鏈，產生具有5'-OH基團的3'-連線的磷酸-酪氨酸中間體。IB型由幾個結構域和亞結構域組成。有趣的是，IA型拓撲異構酶與DNA的5'端形成共價中間體，而IB型拓撲異構酶與DNA的3'端形成共價中間體。歷史上，IB型拓撲異構酶被稱為真核拓撲異構酶I，但IB型拓撲異構酶存在於生命的所有三個界中。
II型拓撲異構酶是一種需要ATP水解才能完成反應迴圈的酶，在該迴圈中，兩條DNA鏈被切割，雙鏈DNA透過斷裂處傳遞，並且斷裂處被重新密封。II型切割DNA雙螺旋的兩條鏈，將另一條未斷裂的DNA鏈穿過它，然後重新退火切割的鏈。它也分為兩個亞類：IIA型和IIB型拓撲異構酶，它們具有相似的結構和機制。IIA型拓撲異構酶的例子包括真核拓撲異構酶II、大腸桿菌DNA促旋酶和大腸桿菌拓撲異構酶IV。IIB型拓撲異構酶的例子包括拓撲異構酶VI。超螺旋需要能量，因為它處於扭轉應力狀態。因此，透過與ATP水解偶聯，它可以引入負超螺旋。
在細菌中，II型拓撲異構酶也被稱為DNA促旋酶。促旋酶是一種作用類似於人類II型拓撲異構酶的酶。抗生素透過阻斷ATP與促旋酶的結合來作用於細菌酶，從而使細菌DNA鏈的斷裂和連線失活。
核小體（Nucleosomes）允許線性DNA（linear DNA）進行緊密包裝。核小體是DNA和組蛋白的複合體，由大約145個鹼基對的DNA纏繞在組蛋白八聚體（histone octomer）上形成左手超螺旋結構組成，組蛋白八聚體是一組小的蛋白質。組蛋白含有大量的帶正電荷的氨基酸，如賴氨酸和精氨酸，這使得它們能夠與帶負電荷的DNA分子結合。組蛋白八聚體由兩份H2A、H2B、H3和H4組成。圍繞組蛋白的兩個DNA環也透過H1組蛋白連線到組蛋白上。核小體進一步排列成堆疊的螺旋複合體。透過DNA在組蛋白周圍的廣泛纏繞，以及核小體的螺旋排列，線性DNA能夠被壓縮。核小體的結構摺疊最終形成染色體。
染色質（Chromatin）指的是DNA及其伴隨的組蛋白的結構。染色質由稱為核小體的重複單位組成。在染色質中發現的五種主要組蛋白是H2A、H2B、H3、H4和H1。
在基因簇中，存在組蛋白的蛋白質基因，這些基因在S期表達。一旦表達，它就會形成組蛋白八聚體。透過與146個鹼基對的DNA雙螺旋相互作用，組蛋白八聚體成為核小體。當組蛋白與DNA結合時，取決於組蛋白的氨基酸序列，而不是DNA的核苷酸序列。
即使在轉錄過程中，組蛋白似乎也始終附著在DNA上。核小體能夠改變形狀和位置的事實允許轉錄發生，並允許RNA聚合酶沿著DNA鏈移動。組蛋白與DNA之間結合的輕微鬆動是透過組蛋白的乙醯化（acetylation）實現的，這中和了帶正電荷的殘基。同時，透過甲基化（methylation）使結合更緊密，以恢復組蛋白的正電荷。透過這種方式改變組蛋白的電荷，可以調節基因轉錄。組蛋白伴侶（Histone Chaperones）是介導染色質組裝和分解以形成正確的核小體序列並有助於穩定摺疊構象的蛋白質。這些蛋白質的功能是保護和遮蔽組蛋白，防止它們由於DNA和組蛋白之間存在的高離子強度而與DNA形成不正確和不需要的聚集體。DNA主要是帶負電荷的分子，而組蛋白是帶正電荷的，因此它們之間存在很強的親和力。組蛋白伴侶帶正電荷，有助於引導組蛋白形成八聚體並正確地與DNA結合，方法是遮蔽和掩蓋DNA的負電荷。組蛋白伴侶有不同的型別，包括β-摺疊片（β- sandwich）、α/α耳罩（α/α earmuff）、β-螺旋槳（Β-propeller）和β-桶（β-barrel）伴侶。β-摺疊片伴侶是形成與組蛋白形成β-摺疊片的伴侶單體。這類伴侶的一個例子是ASF1或抗沉默功能伴侶，參與酵母複製過程中的過表達。此外，ASF 1是染色質組裝過程中使用的第一個組蛋白。α/α耳罩伴侶是形成組蛋白/DNA複合體的α螺旋構象的二聚體。一個例子包括NAP伴侶，用於在染色質組裝過程中將組蛋白從細胞質轉運到細胞核。β-螺旋槳伴侶是使用NMR和晶體學技術區分出的第一批伴侶。這些五聚體伴侶的功能是儲存組蛋白。β-桶伴侶是異源寡聚體，有助於促進染色質轉錄。此外，還存在不屬於任何特定結構類別的非規則或變異組蛋白伴侶。所有這些不同型別的伴侶都參與了染色質組裝和分解的不同階段。染色質組裝和分解的能量學受組蛋白伴侶調控。組裝是一個能量有利的過程，因為隨著組蛋白與DNA結合，它形成更穩定的結構，導致能量降低。另一方面，分解是一個能量不利的過程，需要使用ATP來破壞穩定的組蛋白/DNA相互作用。
核小體滑動是依賴能量的核小體重塑在體外（in vitro）的常見結果。
ATP依賴性核小體滑動機制（ATP-Dependent Nucleosome Sliding Mechanism）
Gregory D Bowman的論文“ATP依賴性核小體滑動的機制”（Mechanisms of ATP-dependent nucleosome sliding）研究了ATP酶馬達（ATPase motors）如何參與和操縱核小體DNA（nucleosomal DNA），並討論了ATP依賴性核小體滑動的可能機制。ATP酶馬達在染色體重塑因子（chromatin remodelers）和不同蛋白質機器的集合之間共享。ATP酶馬達在其與核小體內部位點上的DNA結合時產生扭轉應力。核小體DNA中的扭轉應力是ATP酶馬達在SHL2區域作用的結果。當Isw2 ATP酶被啟用時，SHL2和進入/退出位點之間的核小體DNA的保護增強。Isw2亞基Dbp4到SHL4的ATP依賴性交聯促進了水解依賴性變化。Isw2 ATP酶被啟用。ATP依賴性交聯Isw2-亞基Dbp4到SHL4促進水解依賴性變化。Iswi型重塑因子（Iswi-type remodelers）形成模板承諾複合體，允許核小體進行連續滑動。
Bowman還解釋了使用ATP酶馬達的凸起/環傳播模型的可能變異。一個模型表明，ATP酶馬達使用轉位酶（translocase）能力以連續的方式從進入/退出位點拉動DNA。這種泵送允許重塑因子產生一個凸起，該凸起會迅速擴散到遙遠的進入/退出位點。另一個模型表明，組蛋白-DNA接觸被重塑因子ATP酶在SHL2區域周圍形成的DNA環破壞。這種破壞拉動了連線體DNA，並且ATP酶馬達將沿著DNA環向二元體（dyad）移動。
染色體重塑因子主要參與DNA包裝和促進轉錄延伸過程。例如，當DNA鏈與核小體纏繞以包裝成染色質時，染色體重塑因子以規則的距離排列核小體，以有效地濃縮DNA鏈。此外，在某些需要修飾核小體的過程中，染色體重塑因子可能會將核小體分解成組蛋白，甚至將整個核小體從DNA上分離。染色體重塑因子需要修飾核小體的過程包括DNA修復、重組、轉錄和複製。下圖顯示了在RNA聚合酶II催化的轉錄過程中如何使用染色體重塑因子的一個例子。
