挾帶大量資訊的 DNA，如果加總人體細胞所包含的長度，換算起來可以來回月球達 3000 次，要如何裝置在小小的細胞核當中? 原來 DNA 會透過扭轉、糾結形成超螺旋的結構（supercoiling），達成最大的空間利用。然而這樣的超螺旋結構，卻深深地影響雙股螺旋 DNA 的轉錄、複製。因此，細胞會利用超螺旋結構變化藉此調節上述功能。在誘導多功能幹細胞（iPSC）的製成中，科學家也學習這項大自然的巧思。送入經處理後的超螺旋 DNA 分子，因為其表現較不會被抑制，故往往比傳統質體有更好的轉殖基因效能。窮究分子層級中，超螺旋到底發生什麼事，一直是科學家所好奇的。丹麥的研究團隊在 2013 年以單分子分析技術，深度解析了噬菌體 λ 的 repressor protein（CI）和超螺旋狀態的操縱子，兩者之間的動態互動關係。
在感染大腸桿菌後，噬菌體 λ 會以溶原性（lysogenic）或裂解性（lytic）的狀態存在。兩者轉換調控是為了確保噬菌體保持溶原狀態，在有效複製前不會裂解宿主，λ 的 repressor protein（CI）是維持溶原性狀態的重要調控關鍵。CI 四聚體會附著在特定操縱子，以八聚體的樣態形成 DNA looping（彎環）。這樣的結構會抑制裂解相關的基因表現。之後，額外的 CI 四聚體會在彎環處再接合上另外的操縱子，讓 CI 的合成減少。過去無法直接以 CI 和超螺旋 DNA 進行試管實驗。但 Copenhagen 大學的團隊卻藉由特殊胜肽核酸（peptide nucleic acid, PNA）技術，將 PNA 的兩端與雙股質體 DNA 形成三螺旋體，同時 PNA 上帶有的 biotin 會和接有 streptavidin 的微米級聚苯乙烯顆粒接合，空間上約束了質體 DNA 扭轉的能力，成功保存質體 DNA 的超螺旋天然結構。並藉由顯微連續攝影，成功捕捉黏著顆粒的動態變化，發現 DNA 超螺旋結構的形成機率和 CI 蛋白質濃度正相關。
在 The Niels Bohr Institute 發展出這套研究超螺旋結構的方法後，不只拓展我們對於噬菌體 λ 的表基因調控有了更明朗的動態變化認識，相信這個方法也得以應用於其他超螺旋質體在基因轉錄調節時的觀測。
參考資料：
- Norregaard, K., Andersson, M., Sneppen, K., Nielsen, P. E., Brown, S., & Oddershede, L. B. (2013). DNA supercoiling enhances cooperativity and efficiency of an epigenetic switch. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(43), 17386–17391. doi: 10.1073/pnas.1215907110
- Zhou, Y., & Zeng, F. (2013). Integration-free Methods for Generating Induced Pluripotent Stem Cells. Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 11(5), 284–287. doi: 10.1016/j.gpb.2013.09.008://goo.gl/dAW8Uc
- http://Koster, D. A., Crut, A., Shuman, S., Bjornsti, M.-A., & Dekker, N. H. (2010). Cellular strategies for regulating DNA supercoiling: A single-molecule perspective. Cell, 142(4), 519–530. doi: 10.1016/j.cell.2010.08.001/4ZFRFO
