以原子分辨率捕获的人类DNA复制舞蹈的第一步

当我们数万亿个细胞中的一个需要复制其DNA然后分裂以产生相同的子细胞时，我们不必考虑将所有必需的部分放在适当位置，这是一件好事。我们永远无法做到对。这个过程非常复杂，需要编写一百多种高度专业化的蛋白质，每种蛋白质必须在恰当的时刻和适当的空间方向发挥作用。它经常与精心编排的分子舞相比较。最小的错误，未经修正，可能会产生致命的后果。重要的是基因组在每个细胞分裂周期中复制一次且仅复制一次。

在eLife杂志上，由冷泉港实验室(CSHL)教授和HHMI调查员Leemor Joshua-Tor和CSHL主席以及Bruce Stillman教授共同领导的生物学家团队以原子分辨率发表了多部分蛋白质复合物的图片。基因复制舞蹈的第一步。这个复合体的人类版本的图像，称为ORC - 用于原点识别复合体 - 以其活动模式显示它。

ORC复合物在细胞核中自组装，并在染色体中沿着双螺旋的特定位点结合，称为起始位点或起源。在人类细胞中，ORC在整个基因组中的数千个原始位点汇集，形成称为复制前复合物或pre-RC的初始配置。一旦组装好，这些前RCs就像高度准备的奥运会游泳运动员站在起跑线上，等待信号开始比赛。

像快速游泳运动员一样，每个综合体需要燃料来招募其“马达”，打开双螺旋的两股。在ORC的情况下，它是ATP或三磷酸腺苷。在ORC的活跃阶段，研究人员发现含有ORC亚基1,2,3,4和5的子组件与多个ATP分子结合并形成部分环状复合物。ATP还用于募集另一种称为CDC6的蛋白质成分，将开环转化为闭环。此时，多部件组件已经接合并绑定到双螺旋，双螺旋穿过环的中心，像螺栓穿过螺母的中心。戒指的设计恰好适合DNA。

ORC于1991年在斯蒂尔曼实验室被发现。“布鲁斯最初在酵母中发现了ORC，”Joshua-Tor指出，“我们多年来就知道ORC复合体在从酵母到苍蝇到哺乳动物的各种生物体中存在很大的结构相似性。图片有助于解释果蝇和人类中ORC之间的形状差异。“

使用结构生物学的工具--X射线晶体学和低温电子显微镜(cryo-EM) - 该团队表明，这些差异类似于静止图像和图像运行图像之间的差异。最好的飞行ORC结构已在非活动阶段捕获，而新发布的结构捕获人类细胞中的复合物，在其执行其功能时所假定的配置 - 与DNA结合。

早期的ORC图片是低分辨率和“blobby”，Joshua-Tor说。新图像清楚地表明ATP如何在ORC组装的一个主要部分的位置结合，由称为ORC1，ORC4和ORC5的蛋白质​​亚基组成。这是ORC的“电机模块”，如果没有ATP“在船上”，则无法稳定成像。另一个主要组件包括ORC2和ORC3。当招募CDC6蛋白时，ORC达到其环形构型，在ORC1和ORC2亚基之间滑动。

团队发布的活跃人类ORC的高分辨率图像有助于解决三大谜团。“它们帮助我们了解DNA如何与ORC结合;如何使用ATP燃料;以及ORC复合物中蛋白质的突变如何引起人类疾病，”Joshua-Tor说。

已知由ORC复合物突变引起的一种有趣的疾病称为Meier-Gorlin综合征，其导致严重的侏儒症(身材矮小)和小头畸形(小脑)。该团队生产的ORC含有多种含有Meier-Gorlin患者突变的成分蛋白。“我们发现其中一种突变可以完全杀死ATP活性，”Joshua-Tor报道，因此在其基因组复制中损害了ORC。患有这种突变的儿童有一个好的副本和一个有缺陷的副本，基本上产生一半所需的ORC，导致他们的身体和大脑的小。另一个突变使得ORC 1,4,5运动模块过度活跃，但当添加到ORC 2,3时，使整个复合物的活性低于正常值。这些结构细节有助于解释为什么Meier-Gorlin综合症发生。

也许新的人类ORC图片提供的最广泛的见解是进化的。虽然原始酵母和复杂人类的ORC 运作方式不同 - 酵母蛋白在细胞分裂过程中是稳定的，而在人类中它是动态组装和分开的 - 研究人员指出，它们在重要方面“非常相似”。

“两者都非常类似于另一种ATP驱动的机器，它也将环状蛋白质加载到DNA上，DNA聚合酶钳装载器，显示这些将环状蛋白质加载到DNA上的分子机器已被重新用于多个阶段DNA复制，“该团队写道。它们都充当分子开关，水解ATP的能量以锁定双链DNA上的蛋白质环。