在生物大分子体系中，电荷作用、氢键、疏水作用、π–π与阳离子–π等非共价相互作用，决定了蛋白与核酸如何识别、组装并形成生物分子凝聚体。对染色质相关凝聚体而言，这些“相互作用网络”之外还存在一个关键自由度：DNA在转录与拓扑异构酶调控下不断积累/释放扭转载荷，形成DNA超螺旋（supercoiling）。超螺旋不仅可能改变蛋白—DNA的结合几何与多价桥联方式，更可能直接重塑凝聚体的内部结构与尺寸演化路径。

近期，我所庄巍团队在JACS Au发表工作，提出并解析了一个清晰的拓扑调控图像：将DNA“扭转柔性”显式引入粗粒化DNA–蛋白桥联诱导相分离（BIPS）模型后，超螺旋会稳定一种特殊的“DNA corset（DNA束身衣）”凝聚体架构，从而实现凝聚体尺寸的可逆压缩；同时，长链DNA体系会出现明显滞后（hysteresis）与“拓扑记忆”。

在模型中，蛋白具有两个DNA结合位点，可处于自由、单端结合与双端桥联三种状态。多价的蛋白–DNA非共价吸引使远距离链段被“桥”到一起，驱动凝聚体生成。作者设置三阶段过程：(i) 超螺旋密度σ=0，仅靠桥联形成凝聚体；(ii) 逐步增加超螺旋密度σ↑直至0.05（细胞典型量级）；(iii) 再以相同步长逐步释放σ↓至0，并测量回转半径Rg、形貌指标及局部拓扑量（writhe）等，建立“扭转—结构—尺寸”的定量联系。

结果显示，施加超螺旋触发典型的twist-to-writhe转换，在DNA上生成多个plectoneme（叠绕结构）。关键在于：这些plectoneme并不会径向“戳出”并撑大凝聚体边界，而是倾向贴附在凝聚体表面附近，沿表面侧向延展并层压式包裹（laminate the surface）。表面单端结合态蛋白会与plectoneme交联，将其限制在靠近表面的窄壳层内，像“松紧束带”一样把边界勒紧，于是形成“致密DNA–蛋白核心 + 表面plectoneme壳层”的DNA束身衣结构。

图1｜DNA–蛋白凝聚体在超螺旋作用下形成DNA corset的机制示意图：无超螺旋凝聚 → 施加超螺旋生成表面贴附plectoneme并压缩 → 释放超螺旋后回弹。

定量上，Rg随σ增大持续降低，凝聚体逐步压缩；局部密度分布由单峰转为双峰，高密度区域与plectoneme覆盖片段空间上高度重合，说明“超螺旋诱导的叠绕”是局部致密化与整体收缩的直接原因。与此同时，压缩会增强DNA与蛋白的位阻/排斥效应，使蛋白在空间上发生再分配：更多蛋白倾向富集在凝聚体核心，表面则以单端结合态为主，从而进一步改变可形成桥联的几何几率与网络连通性——这体现了拓扑输入不仅改变DNA构象，也会“重排”非共价作用网络的空间分区。

更进一步，Rg与链长N的标度指数α随σ升高由约0.45逐步下降至接近1/3，表明凝聚体从相对松散缠结态转向“致密堆积主导”的物理状态。释放超螺旋后，净扭矩消失，体系在构象熵驱动下发生膨胀，Rg随σ↓降低而恢复。值得注意的是，恢复过程存在显著链长依赖：短链DNA凝聚体几乎完全可逆，而长链DNA表现出清晰的滞后回线。其物理根源在于非共价桥联与拓扑缠结相互“加固”：桥联抑制链段相对滑移与解缠，使本应可逆的拓扑松弛需要多个结合位点协同解离，能垒随链长快速升高，形成动力学陷阱与“记忆效应”。

总体而言，该工作揭示了一个把“相互作用网络”与“可扭转聚合物力学”耦合的尺寸调控机制：DNA超螺旋可作为拓扑开关（topological switch），通过twist–writhe耦合与表面层压壳层结构，在较宽范围内调控凝聚体尺寸，并天然赋予阈值响应与记忆特性。作者也指出，该模型聚焦裸DNA，未显式纳入核小体与高阶染色质层级，因此其最直接适用情景更接近原核染色体、质粒或体外拓扑受限DNA；将核小体与染色质层级纳入模型，是评估真核体系定量相关性的关键方向。从生物学角度看，束身衣壳层可能像弹性护套一样分散外力、缓冲扭转载荷，并在表面保留一定可接近位点，形成“可渗透的调控界面”；从工程化角度看，叠加调控超螺旋与多价非共价结合强度，有望实现带阈值与记忆的可编程凝聚体。

研究成果以“Supercoils Stabilize a “DNA Corset” Condensate with Torsion-Dependent Hysteretic Compaction”为题发表在JACS Au上。本论文第一作者为福建物质结构研究所的韦学锋博士，通讯作者为庄巍研究员。本研究受到国家自然科学基金（22273106，12347170）、中国科学院战略先导项目（XDB1170000）和海西研究院自部署项目（CXZX-2022-GH02）的资助。

文章信息：Supercoils Stabilize a “DNA Corset” Condensate with Torsion-Dependent Hysteretic Compaction

DOI：10.1021/jacsau.6c00013

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.6c00013

（庄巍课题组供稿）