驅(qū)動DNA復(fù)制的蛋白質(zhì)——細(xì)胞生長和繁殖背后的動力，是地球上一些最復(fù)雜的機器。這一多步復(fù)制過程包括數(shù)以百計的光原子級運動部件，可快速地相互作用和變換。定位這些密集的分子機器，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)制開始的特定時刻。這項研究發(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驗室、石溪大學(xué)、冷泉港實驗室和倫敦帝國學(xué)院。

本研究共同作者、布魯克黑文實驗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，以及這個過程可能會出現(xiàn)什么錯誤。復(fù)制DNA出錯存在于某些癌癥中，這項工作將有助于開發(fā)新的治療方法，停止或打破危險失控的機器。”

本研究選取了Li及其同事以前中斷的兩項研究。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，啟動整個復(fù)制過程。第二項研究揭示了ORC如何招募、裂開和安裝一個至關(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)制是一個雙向的過程，兩個解旋酶朝著相反的方向進(jìn)行。那么，關(guān)鍵問題是，第二個解旋酶核心如何以第一個解旋酶相反的方向，招募并加載到DNA上？

本文第一作者、布魯克黑文實驗室生物學(xué)家Jingchuan Sun說：“讓我們感到驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)了一個中間結(jié)構(gòu)，具有結(jié)合兩個環(huán)的ORC。這一發(fā)現(xiàn)表明，一個單一的ORC，而不是通常認(rèn)為的雙ORC系統(tǒng)，負(fù)載有兩個解旋酶環(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、冷泉港實驗室的Bruce Stillman稱：“這種三路合作，利用每個實驗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驗室和石溪大學(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，用于動物更復(fù)雜的系統(tǒng)）的蛋白質(zhì)?？茖W(xué)家分離了參與復(fù)制的蛋白質(zhì)機制，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)合和補充過程。

然后，他們使用布魯克黑文國家實驗室的一種電子顯微鏡，在一種分子延時的每個目標(biāo)時刻，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，然后用計算機重建成三維結(jié)構(gòu)。

Li說：“這種技術(shù)非常理想，因為我們成像相對大的蛋白質(zhì)。一個典型的蛋白質(zhì)含有三百種氨基酸，但是這些DNA復(fù)制機器包括成千上萬的氨基酸。整個結(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DNA過程，是該研究團(tuán)隊的工作重點，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)計小分子，在特定時刻抑制DNA復(fù)制，從而帶來新的疾病預(yù)防和治療方法。”