Cryo-EM成像表明双螺旋在复制过程中如何分离

如果分裂细胞中的DNA被复制到低于近乎完美精度的任何东西，那么生命将是不可能的。每当有核细胞承诺成为两个细胞时，其基因组的每个“字母”都必须复制一次且仅复制一次。在人类中，任务令人难以置信。如果解开，嵌入我们每个细胞的双螺旋长度为6英尺。仅在我们的骨髓中，每分钟就会产生5亿个新细胞。这些细胞单独含有足够的DNA以包裹地球的赤道25次。在令人生畏的容忍度中，每个新细胞必须具有与产生它的细胞相同的基因组。当过程出错时，可能会导致癌症和其他疾病。

弄清楚复制在单个分子和原子水平上的准确性是现代科学的重大成就之一。然而，调查人员的旅程尚未完成。这个难题的一个主要未解决的部分是理解复制基因组的整个过程是如何开始的。在新的研究中，洞察复制的早期阶段双螺旋的两个分支是如何分离的。

伦敦，密歇根州大急流城和纽约冷泉港实验室(CSHL)的研究人员长期合作报告了双头解旋酶的原子级结构，头部与头部加载，DNA双螺旋在圆形通道中可见虽然两个解旋。该配置是预复制复合体(pre-RC)的一部分，之前从未在此配置中成功成像。

这一壮举是通过Van Andel研究所的新型电子显微镜(cryo-EM)设施实现的，该研究所是主要研究人员之一李慧琳博士的家。李博士与CSHL的Bruce Stillman博士和伦敦帝国理工学院基因组生物化学和分子生物学教授Christian Speck博士合作了十几年。1992年，斯蒂尔曼及其同事发现了一种称为原始复制复合物(ORC)的蛋白质复合物，它在双螺旋的许多位置组装了称为“起始位点”的蛋白质复合物，复制起始于此。Speck博士的研究表明，ORC与其他蛋白质Cdc6，Cdt1和Mcm2-7的六聚体结合，开始复制DNA的过程。

过去的大量努力揭示了ORC如何组装并找到起始站点。在复杂的人类基因组中，有许多这样的网站由域组织;更简单的生活形式，如面包酵母，更少。这项新研究涉及在初始识别起始位点以及如何解开DNA螺旋后发生的情况。

正如在新的低温EM“图片”中生动地展示的那样，围绕双螺旋的双六面Mcm2-7解旋酶看起来像对称的昆虫，或者可能是双胞胎太空船头对头停靠。新结构回答的问题是双螺旋如何位于它们形成的通道内，以及DNA如何与周围结构相互作用。基于这些新知识，开始揭示两条DNA链如何分离，一直是个谜。

“新图像显示，一旦加载到双六聚体或DH中，正如我们称之为头对头解旋酶 - 双螺旋通过中心通道采取锯齿形路径，这有点扭曲，”作者说明。“这两个桶形六角形装置的平衡方式使得它们在激活时可以解开双螺旋。”

其中一个后果尤为重要：由双环形成的复合结构的扭曲产生了一种扭曲的应变：它们具有固有的张力，使得它们像螺旋弹簧。以前未见过的结构细节揭示了双六聚体的各种蛋白质亚基如何通过微小的环状结构锁定在双螺旋上。

Li，Speck，Stillman和他们的同事提出的情况是，双六聚体在张力下加载，导致DNA的两条链中的一条穿过它们，真正地聚集在环的一侧的封闭“门”上，而另一条反对另一侧的另一个封闭的“门”。该小组提出，当复制过程激活时(通过蛋白激酶和其他辅助分子的干预)，两个门中的一个弹簧打开。

通过解旋酶中的敞开的门 - 但仅在一侧 - 双螺旋的一股被挤出或“挤出”。该团队提出它在DNA复制过程中成为所谓的“滞后链”。保留在螺旋通道中心的另一条链成为复制中的“前导链”。装在两个六聚体上的分子马达为它们的分离提供能量。一种活化的解旋酶通过另一种，因为每条链的复制在相反的方向上进行，如生物学家几十年前推断的那样。

通过称为低温电子显微镜的技术的进步使得最新的结构成为可能，其中电子束通过冷冻的单一蛋白质-DNA颗粒以获得近原子级的三维图像。该方法的主要开发者现已广泛使用，获得了2017年诺贝尔化学奖。