超螺旋是共价闭合环状DNA或两端被约束的DNA分子在双螺旋结构基础上进一步盘绕形成的高级结构，属于DNA的三级结构。[1][2] 当双螺旋两条链的缠绕程度偏离松弛状态时，分子内部会产生扭转张力，DNA通过让双螺旋的轴线在三维空间中自我盘绕来缓解这种张力，由此形成超螺旋。[3] 超螺旋分正、负两类，天然DNA大多呈负超螺旋，这种状态储存的扭转能有助于双螺旋局部解开，与复制、转录等过程密切相关。[3][4]
定义
超螺旋指共价闭合环状DNA(covalently closed circular DNA，cccDNA)等拓扑受约束的DNA分子，其双螺旋轴线在空间中再次盘绕而成的结构，也被称为DNA的三级结构。[1][2] 这种结构能够稳定存在的前提是DNA的拓扑受到约束：对两端可以自由旋转的线性DNA而言，链的缠绕数随时可变，并不构成固定的超螺旋状态。[5]
描述超螺旋的核心量是连环数(linking number，Lk)，即两条链相互缠绕、一条链环绕另一条链的总次数。[2] 对闭环DNA而言，Lk等于扭转数与缠绕数之和，即 Lk=Tw+Wr；扭转数(Tw)描述双螺旋自身拧转的圈数，缠绕数(Wr)描述螺旋轴在三维空间中的盘绕程度。[2][5] Lk只对共价闭合的DNA有定义，必须为整数，只要链不断裂就保持不变；而Tw与Wr可以是小数，两者的变化能够互相补偿。[5]
当Lk小于同条件下的松弛值Lk0时，DNA处于欠旋状态，称为负超螺旋；Lk大于Lk0时称为正超螺旋。[2][6] 为便于比较长度不同的分子，常用超螺旋密度σ=ΔLk/Lk0表示超螺旋程度。[3] 大肠杆菌质粒DNA的典型σ约为-0.06，细胞内不受约束的超螺旋一般只有该数值的一半左右；多数天然环状DNA呈负超螺旋，而某些嗜热微生物的DNA接近松弛甚至为正超螺旋。[3][7]
原理
在链不断裂、Lk固定的条件下，扭转数与缠绕数的改变互相补偿，即 ΔLk=ΔTw+ΔWr。 由于大幅改变双螺旋自身的拧转在能量上代价较高，DNA倾向于把张力转化为螺旋轴的盘绕，从而形成超螺旋。[3][8] 实验表明，处于内部扭转张力下的闭环DNA会形成紧凑的超螺旋构象，并把弹性能分配到扭转与缠绕两种形变中。[8]
负超螺旋对应双螺旋欠旋，其螺旋轴沿右手方向盘绕；正超螺旋对应过度缠绕，盘绕方向相反。[6] 溶液中的超螺旋DNA主要有两种几何形式：螺旋轴相互缠绕的辫状（互缠式）结构，与围绕某一轴心盘绕成线圈的螺管式结构；后者更为致密，并可由蛋白质稳定。[2][4]
细胞内外超螺旋水平的调节主要依靠拓扑异构酶。这类酶暂时切断DNA链、让另一段链穿过缺口后再重新连接，从而改变连环数。[9] I型酶只切断一条链，每次反应使连环数改变1；II型酶同时切断两条链，每次反应使连环数改变2。[10] 其中I型酶主要通过改变扭转数起作用，II型酶更善于松弛以缠绕形式表现出来的超螺旋。[9]
细菌的DNA旋转酶消耗ATP，主动向DNA中引入负超螺旋；而拓扑异构酶I（ω蛋白）只能去除负超螺旋，对正超螺旋不起作用，两类活性的平衡决定了基因组的超螺旋密度。[9] 真核生物中，DNA以左手方式缠绕组蛋白八聚体形成核小体，由此引入负超螺旋；组蛋白之外区域积累的正超螺旋则由拓扑异构酶消除。[9][4]
复制和转录过程本身也会产生超螺旋。当聚合酶沿DNA链移动而其绕轴旋转受到阻碍时，其前方会积累正超螺旋、后方则留下负超螺旋，形成方向相反的超螺旋区域。[11]
发展历程
1965年，维诺格拉德及其同事在研究多瘤病毒DNA时报告了「扭曲的环状形式」，首次报道了闭环DNA在扭转张力下形成的紧凑超螺旋结构。[12][8] 他们把双螺旋环状DNA偏离松弛态的形态描述为超扭转、超螺旋，并提出闭环DNA的三维形状与其双螺旋结构密切相关。[13]
1967年，该研究组发现溴化乙锭嵌入DNA后会降低闭环DNA的浮力密度，并据此建立了用密度梯度离心从大量线性与开环DNA中分离闭环DNA的方法。[14] 20世纪60年代末，微分几何中用于描述闭合带状物扭转与缠绕的定理被直接引入超螺旋DNA的定量研究。[13]
此后，维诺格拉德实验室以及冷泉港、伯克利的其他研究组发现，可以用酶促松弛结合凝胶电泳来计数闭环DNA中的超螺旋圈数，并观察到闭环分子中超螺旋数目的玻尔兹曼分布。[14] 1976年，克里克对闭环双链DNA的连环数概念及其数学表征方法作了系统阐述。
随着DNA拓扑异构酶的发现及其催化机制的阐明，超螺旋的产生与去除被归因于酶催化的断链与重接反应，相关研究也从结构描述扩展到酶学和细胞功能层面。[9][13]
应用
负超螺旋使DNA处于欠旋状态并储存一定的扭转能，降低了局部解链所需的能量，因而参与DNA复制起始、转录起始、重组与转座等过程。[4][3] 在细菌中，负超螺旋影响复制、转录、同源重组、位点特异性重组、转座以及姐妹染色体分离等多种生命活动。[15]
超螺旋水平的变化会改变一批基因的表达，因此被认为是各类生物中转录的重要调控因素；细胞内超螺旋的生成与去除受到精细调节，两者是否平衡会影响众多依赖DNA的过程。[9]
在染色质中，超螺旋还承担包装功能。组蛋白八聚体使DNA以左手螺管方式盘绕，把很长的遗传物质压缩到细胞核内所需的空间中。[4][9]
实验上，超螺旋DNA比松弛DNA更紧凑，在琼脂糖凝胶电泳中迁移更快，可用于分离和区分拓扑异构体，连环数仅差1的分子也能被分开。[5][4] 高速离心、电子显微镜和原子力显微镜等方法同样可用于观察和测量超螺旋。[4]
由于拓扑异构酶对超螺旋的调节对细胞至关重要，人们开发了以这类酶为靶点的药物：喹诺酮类抗生素作用于细菌的拓扑异构酶与DNA旋转酶，依托泊苷等抗肿瘤药物则作用于真核II型拓扑异构酶。 由此，许多拓扑异构酶抑制剂被用作抗生素或抗癌药物。[10]
局限
超螺旋概念有严格的适用范围。连环数只对共价闭合的DNA才有定义，而超螺旋的维持以拓扑约束为前提：只要任意一条链出现一个切口，约束便立即解除，原本紧凑的超螺旋随之松弛，因此端部自由的线性DNA并无固定的超螺旋状态。[5][2]
细胞内的实际情形比模型复杂。在真核细胞中，多数DNA被拓扑异构酶维持在接近松弛的状态，自由超螺旋只出现在局部区域且存在时间短暂；局部超螺旋的生成速度可能快于其被去除的速度，并受到高度调控，因此单一的超螺旋密度数值难以完整描述细胞内的拓扑状态。[9]
测量手段也比较有限。超螺旋DNA分子体积大、构象多样，能够成功用于分析的技术不多，常用的主要是高速离心、高分辨率显微技术（如电子显微镜和扫描力显微镜）以及琼脂糖凝胶电泳等。[4]
细胞对超螺旋密度的适应范围较窄。大肠杆菌与其近缘的鼠伤寒沙门氏菌虽然基因组成相近，但各自维持的超螺旋密度并不相同；将大肠杆菌旋转酶的一个亚基置换到沙门氏菌中，会使后者的染色体超螺旋密度下降约40%，反向置换则会导致大肠杆菌染色体功能异常。[15]
参见
参考资料
- DNA Supercoiling . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- Architecture of the Escherichia coli nucleoid . plos.org [引用日期2026-09-29]
- Superhelix - Chapters and Articles . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- Encyclopedia of Life Sciences - Supercoiled DNA: Structure . wiley.com [引用日期2026-09-29]
- DNA TOPOLOGY . stanford.edu [引用日期2026-09-29]
- figure . plos.org [引用日期2026-09-29]
- europepmc.org 上的网页 . europepmc.org [引用日期2026-09-29]
- nih.gov 上的网页 . nih.gov [引用日期2026-09-29]
- DNA Supercoiling - Chapters and Articles . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- DNA超螺旋 . wikipedia.org [引用日期2026-09-29]
- jb.171.4.2181-2187 . asm.org [引用日期2026-09-29]
- sciencedirect.com 上的网页 . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- Preface/Front Matter . cshmonographs.org [引用日期2026-09-29]
- 178 Nature Vol . nature.com [引用日期2026-09-29]
- gov.ua 上的网页 . gov.ua [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T12:11:18Z
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