Nature：DNA復(fù)制過程的關(guān)鍵奧秘

日期：2015-09-11 09:14:22

最近，沙特國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）的研究人員，揭開了DNA復(fù)制過程中的一個(gè)關(guān)鍵奧秘。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近的國際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《Nature》。延伸閱讀：細(xì)胞學(xué)突破：首次復(fù)制收縮環(huán)的結(jié)構(gòu)。

在一個(gè)細(xì)菌分裂之前，它必須通過一個(gè)稱為DNA復(fù)制的過程，復(fù)制其遺傳物質(zhì)——類似成束橡皮筋的循環(huán)DNA分子。在這個(gè)過程中，兩條DNA構(gòu)成了松散的環(huán)狀DNA分子，并分開成為生成新鏈的模板。

為了確保這個(gè)過程被很好的調(diào)節(jié)，細(xì)菌還設(shè)置了許多“路障”，或DNA上的終止位點(diǎn)，以確保復(fù)制叉的永久停止，復(fù)制叉是DNA分子分裂時(shí)鏈之間形成的Y型結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究，是由KAUST博士生Mohamed Elshenawy和KAUST生物和環(huán)境科學(xué)與工程部門的副教授Samir Hamdan，以及來自澳大利亞臥龍崗大學(xué)的同事合作完成的，這項(xiàng)研究闡釋了“為什么在體外終止位點(diǎn)能夠永久地停止復(fù)制叉，而在活細(xì)菌中，超過50%的復(fù)制叉（靠近終止位點(diǎn)），會(huì)持續(xù)不停的合成”。

一個(gè)終止位點(diǎn)包含23個(gè)堿基對(duì)的終止序列（Ter），它們與Tus蛋白結(jié)合。Tus-Ter復(fù)合體的不尋常之處在于，它能夠通過讓復(fù)制叉從一個(gè)（而不是另一個(gè)）方向前進(jìn)，解開一條攀登繩上的繩結(jié)。這個(gè)極性設(shè)置了一個(gè)“陷阱”，允許第一個(gè)達(dá)到的復(fù)制叉進(jìn)入，直到另一個(gè)復(fù)制叉抵達(dá)，才離開終點(diǎn)區(qū)域。

Hamdan和他的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，來自運(yùn)動(dòng)（或動(dòng)力學(xué)）的能量，可能作用于這些終止位點(diǎn)。他們用單分子成像技術(shù)記錄這些分子過程，以高時(shí)空的分辨率，聚焦于大腸桿菌復(fù)制叉的命運(yùn)，因?yàn)樗鼈兘咏趤碜匀我环较虻囊粋€(gè)終止位點(diǎn)。

他們的研究結(jié)果表明，極性和復(fù)制叉捕獲的效率，是由Tus取代率和Tus-Ter相互作用之間的一種競(jìng)爭所決定的。Tus-Ter相互作用，可堵塞兩種不同機(jī)制引起的較慢的移動(dòng)復(fù)制體。這意味著更快移動(dòng)的復(fù)制叉可敲擊Tus-er重排并取代Tus，而較慢移動(dòng)的復(fù)制叉則被有效地堵塞。

這解決了困擾我們對(duì)DNA復(fù)制理解的一個(gè)長期存在的奧秘，對(duì)所有領(lǐng)域生命的理解也有重要影響。Hamdan強(qiáng)調(diào)說：“對(duì)于酶學(xué)領(lǐng)域來說，這些研究結(jié)果是引人注目的。”他指出，在催化過程中個(gè)別酶會(huì)發(fā)生波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)頻率在可能相同的酶分子之間是有差異的，這都是單分子成像對(duì)生物學(xué)的新貢獻(xiàn)。

Hamdan解釋說：“這項(xiàng)研究首次證明，酶分子的這些特性實(shí)際上會(huì)影響生物學(xué)。”

分子馬達(dá)和雙鏈DNA結(jié)合蛋白之間的交流，是DNA復(fù)制、修復(fù)、重組和轉(zhuǎn)錄中的一個(gè)共同特點(diǎn)，也存在于這些過程之間發(fā)生沖突的情況下。Hamdan說，對(duì)不同分子馬達(dá)的不同反應(yīng)的演化，可能調(diào)節(jié)著這些過程之間的交流。