结构生物化学/核酸/DNA/超螺旋和核小体
DNA的结构 不仅以二级结构（如双螺旋）存在，还可以通过超螺旋折叠成自身形成三级结构。超螺旋允许环状DNA紧凑包装。环状DNA仍然以双螺旋的形式存在，但由于其以环状形式连接，因此被认为是闭合分子。当双螺旋进一步围绕一个轴线盘绕并自身交叉时，就会形成超螺旋。超螺旋不仅允许DNA以紧凑的形式存在，而且盘绕的程度也通过确定双螺旋解旋的能力来影响DNA与其他分子的相互作用。
虽然超螺旋提供了一种有序的方式来紧密压缩DNA，但由于扭转应力，该结构相对不稳定。为了最大限度地减少维持结构所需的能量，扭曲和缠绕的数量被最小化。扭曲是指双螺旋围绕超螺旋轴旋转的圈数。缠绕是指DNA链的圆形变形、弯曲和整体非平面性。
超螺旋改变了DNA的形状。超螺旋DNA分子的优点在于其可压缩性。与相同长度的松弛DNA分子相比，超螺旋DNA更紧凑。这在实验中是如何体现的呢？超螺旋DNA比松弛DNA移动得更快。因此，结构差异可以在电泳和离心等技术中进行分析。
超螺旋DNA可能会阻碍和促进DNA解旋，从而影响DNA与细胞中其他分子的相互作用。
1. 负超螺旋是DNA的右手螺旋，因此缠绕发生在逆时针方向。它也被称为DNA的“欠缠绕”。
2. 正超螺旋是DNA的左手螺旋，因此缠绕发生在顺时针方向。此过程也被称为DNA的“过度缠绕”。（2017年10月23日更正 - DV，原始错误将负超螺旋和正超螺旋的定义颠倒了。还为超螺旋提供了更基本的清晰度）。
虽然螺旋是欠缠绕的并且具有较低的扭曲应力，但负超螺旋的结具有较高的扭曲应力。原核生物和真核生物通常具有负超螺旋DNA。负超螺旋自然普遍存在，因为负超螺旋为需要分离DNA链的过程做准备。例如，负超螺旋在复制中是有利的，因为它更容易解旋，而正超螺旋更浓缩，并且会使分离变得困难。
拓扑异构酶解旋以进行DNA转录和DNA复制。在蛋白质生成后，DNA模板通过力进行超螺旋以形成染色质。RNA聚合酶也会影响DNA链具有两个不同的超螺旋方向。RNA聚合酶已通过的区域形成负超螺旋，而RNA聚合酶尚未通过的区域形成正超螺旋。通过这些过程，产生了超螺旋。
拓扑异构酶是负责引入和消除超螺旋的酶。正超螺旋和负超螺旋需要两种不同的拓扑异构酶。这通过拓扑异构酶的特异性防止了DNA的扭曲。拓扑异构酶的两类是I型和II型。I型刺激超螺旋DNA的松弛，而II型利用ATP水解的能量向DNA添加负超螺旋。这两类拓扑异构酶在DNA转录、DNA复制和重组DNA中都发挥着重要作用。
拓扑异构酶形成负超螺旋的环（双螺旋的解旋区域）。如果DNA缺乏超螺旋张力，则不会解旋超螺旋。
I型拓扑异构酶通过在DNA中产生瞬时单链断裂来起作用。这进一步分类为IA型和IB型。
IA型拓扑异构酶
IA型拓扑异构酶是一种695个残基的单体，它使负超螺旋DNA松弛。首先，IA型切割一条单链DNA并将两个单链DNA环连接起来。然后它通过一圈解旋超螺旋双链DNA。IA型具有特定的链通路径机制，即用单链DNA孵育IA型导致通过磷酸-酪氨酸二酯键产生线性DNA。
IB型拓扑异构酶
IB型介导了一种受控旋转机制来松弛负超螺旋和正超螺旋。IB型通过活性位点酪氨酸对DNA的亲核攻击切割双链DNA的一条链，产生具有5'-OH基团的3'-连接的磷酸-酪氨酸中间体。IB型由几个结构域和亚结构域组成。有趣的是，IA型拓扑异构酶与DNA的5'端形成共价中间体，而IB型拓扑异构酶与DNA的3'端形成共价中间体。历史上，IB型拓扑异构酶被称为真核拓扑异构酶I，但IB型拓扑异构酶存在于生命的所有三个界中。
II型拓扑异构酶是一种需要ATP水解才能完成反应循环的酶，在该循环中，两条DNA链被切割，双链DNA通过断裂处传递，并且断裂处被重新密封。II型切割DNA双螺旋的两条链，将另一条未断裂的DNA链穿过它，然后重新退火切割的链。它也分为两个亚类：IIA型和IIB型拓扑异构酶，它们具有相似的结构和机制。IIA型拓扑异构酶的例子包括真核拓扑异构酶II、大肠杆菌DNA促旋酶和大肠杆菌拓扑异构酶IV。IIB型拓扑异构酶的例子包括拓扑异构酶VI。超螺旋需要能量，因为它处于扭转应力状态。因此，通过与ATP水解偶联，它可以引入负超螺旋。
在细菌中，II型拓扑异构酶也被称为DNA促旋酶。促旋酶是一种作用类似于人类II型拓扑异构酶的酶。抗生素通过阻断ATP与促旋酶的结合来作用于细菌酶，从而使细菌DNA链的断裂和连接失活。
核小体（Nucleosomes）允许线性DNA（linear DNA）进行紧密包装。核小体是DNA和组蛋白的复合体，由大约145个碱基对的DNA缠绕在组蛋白八聚体（histone octomer）上形成左手超螺旋结构组成，组蛋白八聚体是一组小的蛋白质。组蛋白含有大量的带正电荷的氨基酸，如赖氨酸和精氨酸，这使得它们能够与带负电荷的DNA分子结合。组蛋白八聚体由两份H2A、H2B、H3和H4组成。围绕组蛋白的两个DNA环也通过H1组蛋白连接到组蛋白上。核小体进一步排列成堆叠的螺旋复合体。通过DNA在组蛋白周围的广泛缠绕，以及核小体的螺旋排列，线性DNA能够被压缩。核小体的结构折叠最终形成染色体。
染色质（Chromatin）指的是DNA及其伴随的组蛋白的结构。染色质由称为核小体的重复单位组成。在染色质中发现的五种主要组蛋白是H2A、H2B、H3、H4和H1。
在基因簇中，存在组蛋白的蛋白质基因，这些基因在S期表达。一旦表达，它就会形成组蛋白八聚体。通过与146个碱基对的DNA双螺旋相互作用，组蛋白八聚体成为核小体。当组蛋白与DNA结合时，取决于组蛋白的氨基酸序列，而不是DNA的核苷酸序列。
即使在转录过程中，组蛋白似乎也始终附着在DNA上。核小体能够改变形状和位置的事实允许转录发生，并允许RNA聚合酶沿着DNA链移动。组蛋白与DNA之间结合的轻微松动是通过组蛋白的乙酰化（acetylation）实现的，这中和了带正电荷的残基。同时，通过甲基化（methylation）使结合更紧密，以恢复组蛋白的正电荷。通过这种方式改变组蛋白的电荷，可以调节基因转录。组蛋白伴侣（Histone Chaperones）是介导染色质组装和分解以形成正确的核小体序列并有助于稳定折叠构象的蛋白质。这些蛋白质的功能是保护和屏蔽组蛋白，防止它们由于DNA和组蛋白之间存在的高离子强度而与DNA形成不正确和不需要的聚集体。DNA主要是带负电荷的分子，而组蛋白是带正电荷的，因此它们之间存在很强的亲和力。组蛋白伴侣带正电荷，有助于引导组蛋白形成八聚体并正确地与DNA结合，方法是屏蔽和掩盖DNA的负电荷。组蛋白伴侣有不同的类型，包括β-折叠片（β- sandwich）、α/α耳罩（α/α earmuff）、β-螺旋桨（Β-propeller）和β-桶（β-barrel）伴侣。β-折叠片伴侣是形成与组蛋白形成β-折叠片的伴侣单体。这类伴侣的一个例子是ASF1或抗沉默功能伴侣，参与酵母复制过程中的过表达。此外，ASF 1是染色质组装过程中使用的第一个组蛋白。α/α耳罩伴侣是形成组蛋白/DNA复合体的α螺旋构象的二聚体。一个例子包括NAP伴侣，用于在染色质组装过程中将组蛋白从细胞质转运到细胞核。β-螺旋桨伴侣是使用NMR和晶体学技术区分出的第一批伴侣。这些五聚体伴侣的功能是储存组蛋白。β-桶伴侣是异源寡聚体，有助于促进染色质转录。此外，还存在不属于任何特定结构类别的非规则或变异组蛋白伴侣。所有这些不同类型的伴侣都参与了染色质组装和分解的不同阶段。染色质组装和分解的能量学受组蛋白伴侣调控。组装是一个能量有利的过程，因为随着组蛋白与DNA结合，它形成更稳定的结构，导致能量降低。另一方面，分解是一个能量不利的过程，需要使用ATP来破坏稳定的组蛋白/DNA相互作用。
核小体滑动是依赖能量的核小体重塑在体外（in vitro）的常见结果。
ATP依赖性核小体滑动机制（ATP-Dependent Nucleosome Sliding Mechanism）
Gregory D Bowman的论文“ATP依赖性核小体滑动的机制”（Mechanisms of ATP-dependent nucleosome sliding）研究了ATP酶马达（ATPase motors）如何参与和操纵核小体DNA（nucleosomal DNA），并讨论了ATP依赖性核小体滑动的可能机制。ATP酶马达在染色体重塑因子（chromatin remodelers）和不同蛋白质机器的集合之间共享。ATP酶马达在其与核小体内部位点上的DNA结合时产生扭转应力。核小体DNA中的扭转应力是ATP酶马达在SHL2区域作用的结果。当Isw2 ATP酶被激活时，SHL2和进入/退出位点之间的核小体DNA的保护增强。Isw2亚基Dbp4到SHL4的ATP依赖性交联促进了水解依赖性变化。Isw2 ATP酶被激活。ATP依赖性交联Isw2-亚基Dbp4到SHL4促进水解依赖性变化。Iswi型重塑因子（Iswi-type remodelers）形成模板承诺复合体，允许核小体进行连续滑动。
Bowman还解释了使用ATP酶马达的凸起/环传播模型的可能变异。一个模型表明，ATP酶马达使用转位酶（translocase）能力以连续的方式从进入/退出位点拉动DNA。这种泵送允许重塑因子产生一个凸起，该凸起会迅速扩散到遥远的进入/退出位点。另一个模型表明，组蛋白-DNA接触被重塑因子ATP酶在SHL2区域周围形成的DNA环破坏。这种破坏拉动了连接体DNA，并且ATP酶马达将沿着DNA环向二元体（dyad）移动。
染色体重塑因子主要参与DNA包装和促进转录延伸过程。例如，当DNA链与核小体缠绕以包装成染色质时，染色体重塑因子以规则的距离排列核小体，以有效地浓缩DNA链。此外，在某些需要修饰核小体的过程中，染色体重塑因子可能会将核小体分解成组蛋白，甚至将整个核小体从DNA上分离。染色体重塑因子需要修饰核小体的过程包括DNA修复、重组、转录和复制。下图显示了在RNA聚合酶II催化的转录过程中如何使用染色体重塑因子的一个例子。
