華人學(xué)者解析DNA解旋機(jī)制的起源
日期：2014-10-17 08:50:48
驅(qū)動(dòng)DNA復(fù)制的蛋白質(zhì)——細(xì)胞生長和繁殖背后的動(dòng)力，是地球上一些最復(fù)雜的機(jī)器。這一多步復(fù)制過程包括數(shù)以百計(jì)的光原子級運(yùn)動(dòng)部件，可快速地相互作用和變換。定位這些密集的分子機(jī)器，是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域最有前途和富有挑戰(zhàn)性的前沿。
目前，科學(xué)家們已經(jīng)查明了復(fù)制過程開始的關(guān)鍵步驟，其中“解壓縮”和分裂DNA雙螺旋、以使兩部分可作為DNA復(fù)制模板的酶，研究人員解開了其令人驚訝的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
本研究將電子顯微鏡、精心提煉的蛋白質(zhì)和一種化學(xué)冷凍法相結(jié)合，分離DNA復(fù)制開始的特定時(shí)刻。這項(xiàng)研究發(fā)表在2014年10月15日的《Genes and Development》雜志，作者分別來自于美國能源部布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室、石溪大學(xué)、冷泉港實(shí)驗(yàn)室和倫敦帝國學(xué)院。
本研究共同作者、布魯克黑文實(shí)驗(yàn)室終身研究員和石溪大學(xué)生物學(xué)家李慧林（Huilin Li）稱：“DNA解旋機(jī)制的起源是非常復(fù)雜和令人驚訝的。能在分子水平上看到這個(gè)解旋酶準(zhǔn)備包圍并解開DNA，可幫助我們了解生命的最基本過程，以及這個(gè)過程可能會出現(xiàn)什么錯(cuò)誤。復(fù)制DNA出錯(cuò)存在于某些癌癥中，這項(xiàng)工作將有助于開發(fā)新的治療方法，停止或打破危險(xiǎn)失控的機(jī)器。”
本研究選取了Li及其同事以前中斷的兩項(xiàng)研究。他們首先確定了“起始識別復(fù)合物”（Origin Recognition Complex，ORC）——一種蛋白質(zhì)，可識別和結(jié)合特定DNA位點(diǎn)，啟動(dòng)整個(gè)復(fù)制過程。第二項(xiàng)研究揭示了ORC如何招募、裂開和安裝一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)形蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)（Mcm2-7），其位于解旋酶的核心。
但是，DNA復(fù)制是一個(gè)雙向的過程，兩個(gè)解旋酶朝著相反的方向進(jìn)行。那么，關(guān)鍵問題是，第二個(gè)解旋酶核心如何以第一個(gè)解旋酶相反的方向，招募并加載到DNA上？
本文第一作者、布魯克黑文實(shí)驗(yàn)室生物學(xué)家Jingchuan Sun說：“讓我們感到驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)中間結(jié)構(gòu)，具有結(jié)合兩個(gè)環(huán)的ORC。這一發(fā)現(xiàn)表明，一個(gè)單一的ORC，而不是通常認(rèn)為的雙ORC系統(tǒng)，負(fù)載有兩個(gè)解旋酶環(huán)。”
接下來，研究人員也確定了ORC離開系統(tǒng)后所留最終雙環(huán)結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)，從而提供了一些關(guān)鍵的生物學(xué)見解。
本文共同作者、倫敦帝國學(xué)院的Christian Speck稱：“現(xiàn)在，我們有雙環(huán)結(jié)構(gòu)如何穩(wěn)定逗留、直到細(xì)胞進(jìn)入DNA合成期的線索。這項(xiàng)研究揭示了關(guān)鍵的調(diào)控規(guī)則，可解釋解旋酶活性最初是如何被抑制，然后如何被再活化以開始其裂開DNA工作。”
精確的方法，密切的合作
檢測這些轉(zhuǎn)瞬即逝的分子結(jié)構(gòu)，需要掌握生物學(xué)、化學(xué)和電子顯微鏡技術(shù)。
本文共同作者、冷泉港實(shí)驗(yàn)室的Bruce Stillman稱：“這種三路合作，利用每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的長期合作和專業(yè)知識。帝國學(xué)院和冷泉港負(fù)責(zé)具有挑戰(zhàn)性的材料制備和功能特性，而布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室和石溪大學(xué)帶領(lǐng)了復(fù)雜的分子成像和三維圖像重建。”
研究人員使用來自面包酵母（一種模式生物，用于動(dòng)物更復(fù)雜的系統(tǒng)）的蛋白質(zhì)。科學(xué)家分離了參與復(fù)制的蛋白質(zhì)機(jī)制，并消除了可能使圖像復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)。
一旦分離的蛋白質(zhì)與DNA混合，科學(xué)家們每隔2、7和30分鐘就注入化學(xué)物質(zhì)，以“凍結(jié)”結(jié)合和補(bǔ)充過程。
然后，他們使用布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室的一種電子顯微鏡，在一種分子延時(shí)的每個(gè)目標(biāo)時(shí)刻，確定了其確切結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)不是使用傳統(tǒng)的顯微鏡的光，而是使用電子聚焦光束來照亮樣品，具有原子級分辨率。該儀器可產(chǎn)生大量的二維電子束圖像，然后用計(jì)算機(jī)重建成三維結(jié)構(gòu)。
Li說：“這種技術(shù)非常理想，因?yàn)槲覀兂上裣鄬Υ蟮牡鞍踪|(zhì)。一個(gè)典型的蛋白質(zhì)含有三百種氨基酸，但是這些DNA復(fù)制機(jī)器包括成千上萬的氨基酸。整個(gè)結(jié)構(gòu)大約20納米，而普通蛋白質(zhì)大約4納米。”
在最基本的層面上解開這個(gè)DNA過程，是該研究團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)，也具有深遠(yuǎn)的意義。Li說：“這些結(jié)構(gòu)知識可以幫助其他研究人員設(shè)計(jì)小分子，在特定時(shí)刻抑制DNA復(fù)制，從而帶來新的疾病預(yù)防和治療方法。”
