科学家提出了分裂和复制DNA的pumpjack机制

在细胞核内复制DNA的蛋白质的新特写图像引领了美国能源部布鲁克海文国家实验室，石溪大学，洛克菲勒大学和德克萨斯大学的一组科学家提出了全新的建议。这种分子机制的工作原理。科学家研究了酵母细胞中的蛋白质，这些蛋白质与人类等复杂生物体的细胞具有许多共同特征，可以为DNA复制的错误提供新的见解。

“DNA复制是可能导致癌症的主要错误来源，”李慧琳解释说，他是布鲁克海文实验室和石溪大学联合任命的生物学家，也是一篇描述自然结构和分子生物学新结果的论文的主要作者。。“整个基因组 - 所有46条染色体 - 在分裂人体细胞时每隔几个小时就被复制一次，”李说，“所以研究这个过程如何运作的细节可以帮助我们理解错误是如何发生的。”

这项研究建立在李和其他人之前的工作基础之上，包括去年与同一团队的合作，该团队制作了第一个完整的DNA复制蛋白复合物图像，称为replisome。该研究揭示了DNA复制酶-DNA聚合酶的位置令人惊讶。这项新研究放大了蛋白质复合物“解旋酶”部分的原子级细节 - 环绕和分裂DNA双螺旋的部分，因此聚合酶可以通过复制两条分离的亲本链来合成两条子链。 “扭曲的阶梯。”

科学家使用一种称为低温电子显微镜(cryo-EM)的技术制作了解旋酶的高分辨率图像。该方法的一个优点是可以在溶液中研究蛋白质，这是它们在细胞中的存在方式。“你不必生产能够将蛋白质锁定在一个位置的晶体，”李说。这很重要，因为解旋酶是由11种连接蛋白质组成的分子“机器”，必须具有灵活性。“你必须能够看到分子是如何运动来理解它的功能的，”李说。

使用计算机软件来分类图像显示解旋酶具有两种不同的构象 - 一种具有以紧凑方式堆叠的组分，一种结构的一部分相对于更“固定”的基底倾斜。

原子级视图允许科学家绘制构成每个构象中解旋酶复合物的单个氨基酸的位置。然后，将这些地图与现有的生化知识相结合，他们提出了解旋酶如何工作的机制。

“一部分能够从一种叫做ATP的分子中结合并释放能量。它将化学能转化为一种改变解旋酶形状的机械力，”李说。在踢出用过的ATP之后，解旋酶复合物恢复到原来的形状，因此可以进入新的ATP分子并再次开始该过程。

“它看起来和操作类似于旧式的pumpjack石油钻井平台，其中一部分蛋白质复合物形成一个稳定的平台，另一部分来回摆动，”李说。他建议，每次摇摆运动都可以将DNA链分开并沿着双螺旋线以直线方式移动解旋酶。

Li说，这种线性易位机制似乎与螺旋酶被认为在更原始的生物体如细菌中运作的方式有很大不同，在细菌中，整个复合物被认为围绕DNA旋转。但是有一些生化证据支持线性运动的观点，包括即使当一些但不是全部的组分的ATP水解活性被突变敲除时，解旋酶仍然可以起作用。“我们承认这一提议可能存在争议，目前尚未得到证实，但结构表明这种蛋白质复合物是如何起作用的，我们正试图弄清楚它，”他说。