在一項(xiàng)新的研究中，來自中國香港大學(xué)、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)和法國居里研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了人類MCM2-7復(fù)合物調(diào)節(jié)復(fù)制起始的新機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)有助于開發(fā)一種新的有效的抗癌策略，有可能選擇性地殺死癌細(xì)胞。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年1月5日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“The human pre-replication complex is an open complex”。

人類的生命始于母體子宮中的一個(gè)受精卵。這個(gè)受精卵通過細(xì)胞分裂進(jìn)行增殖，發(fā)育成我們的多細(xì)胞身體。在每次細(xì)胞分裂過程中，我們的基因組DNA，即遺傳信息的藍(lán)圖，被準(zhǔn)確地復(fù)制。每個(gè)細(xì)胞攜帶大約2米長的DNA，組裝成23對染色體。在我們的一生中（約70年），我們的身體將合成超過一光年---光在一年里傳播的距離---長的DNA，約10¹⁶米。這種復(fù)制過程要求DNA雙鏈?zhǔn)紫冉怄?，然后分離成兩個(gè)單鏈模板，供DNA聚合酶合成為互補(bǔ)鏈。這種過程的任何錯(cuò)誤調(diào)節(jié)都會導(dǎo)致可怕的后果，如腫瘤發(fā)生和遺傳性的基因疾病。

論文共同通訊作者、香港大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院助理教授Yuanliang Zhai博士說，“揭開DNA復(fù)制的秘密是理解生命之謎的關(guān)鍵。解析DNA復(fù)制機(jī)器的結(jié)構(gòu)是告知其分子功能的關(guān)鍵，畢竟眼見為實(shí)?！?/p>

自1953年James Watson和Francis Crick確定了DNA的結(jié)構(gòu)以來，DNA雙鏈最初是如何解鏈的，一直是生物學(xué)家的一個(gè)長期問題。在真核生物中，負(fù)責(zé)在復(fù)制過程中解開DNA雙鏈的酶最初被康奈爾大學(xué)的Bik-Kwoon Tye教授在1983年確定為來自釀酒酵母的小染色體維持蛋白復(fù)合物（minichromosome maintenance protein complex, MCM）基因。六個(gè)MCM基因--- MCM2至MCM7（MCM2-7）---的產(chǎn)物形成一種六亞基的環(huán)狀復(fù)合物，作為DNA解鏈機(jī)器---DNA復(fù)制螺旋酶---的催化核心。

在細(xì)胞中，為了啟動DNA復(fù)制，MCM2-7復(fù)合物必須首先在每條染色體的數(shù)千個(gè)位點(diǎn)上組裝成環(huán)繞雙鏈DNA的頭對頭雙六聚體（double hexamer, DH）。在大量組裝好的MCM2-7 DH中，只有其中的一個(gè)亞群會被最終選中并轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的復(fù)制性螺旋酶，用于DNA解旋。人們認(rèn)為，MCM2-7 DH可以直接破壞DNA的穩(wěn)定性，以觸發(fā)雙鏈DNA的初始打開。然而，它的基本機(jī)制在很大程度上仍然是未知的。

為了解決這個(gè)問題，這些作者試圖使用一種前沿技術(shù)---低溫電鏡（cryo-EM）來觀察MCM2-7 DH的原子細(xì)節(jié)。

2015年，他們首次解析出從酵母中分離出來的MCM2-7 DH的3.8埃的低溫電鏡結(jié)構(gòu)（Nature, 2015, doi:10.1038/nature14685）。不幸的是，捕獲的DNA是不穩(wěn)定的，未能告知MCM2-7 DH結(jié)合的DNA雙鏈的狀態(tài)。

在這項(xiàng)新的研究中，他們成功地從體外培養(yǎng)的人類細(xì)胞中純化出MCM2-7 DH，并確定了它在分辨率為2.59埃時(shí)的結(jié)構(gòu)。這種高分辨率的結(jié)構(gòu)清楚地展示了MCM2-7復(fù)合物如何破壞DNA的穩(wěn)定性，從而在兩個(gè)偶聯(lián)的MCM2-7六聚體的連接處導(dǎo)致DNA雙鏈的初始打開。

他們還發(fā)現(xiàn)，MCM2-7 DH在整個(gè)人類基因組的數(shù)萬個(gè)位點(diǎn)處結(jié)合到DNA上，這些位點(diǎn)與活躍的轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)相互排斥。此外，當(dāng)這種最初的開放結(jié)構(gòu)受到干擾時(shí)，MCM2-7 DH不能再組裝到DNA上，導(dǎo)致DNA復(fù)制的啟動受到完全抑制。

圖片來自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2022.12.008。

論文共同通訊作者、香港大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院助理教授Shangyu Dang博士說，“這種原子分辨率的低溫電鏡結(jié)構(gòu)使我們能夠直接觀察到最初的DNA解鏈，這對我們了解DNA復(fù)制的分子機(jī)制至關(guān)重要。這項(xiàng)新的研究也顯示了合作的重要性。需要具有互補(bǔ)專長的研究團(tuán)隊(duì)的努力來回答基本的生物學(xué)問題。”

DNA復(fù)制已經(jīng)成為幾種治療癌癥藥物的靶標(biāo)。然而，現(xiàn)有的藥物不分青紅皂白地殺死所有分裂的細(xì)胞，因?yàn)檎＜?xì)胞和癌細(xì)胞都必須復(fù)制它們的DNA來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞增殖。因此，這些藥物的特異性引起了人們對這些抗癌化療藥物的嚴(yán)重關(guān)切。一種更理想的替代選擇是抑制DNA復(fù)制的啟動，使正常細(xì)胞停滯在G1期（第一生長期）或退出細(xì)胞周期進(jìn)入G0狀態(tài)（靜止期）；但癌細(xì)胞將經(jīng)歷凋亡。因此，抑制復(fù)制啟動可以作為一種新的、有效的抗癌策略，具有選擇性殺死癌細(xì)胞的潛力。

這項(xiàng)新研究的結(jié)果提供了人類起始前復(fù)合物---MCM2-7復(fù)合物---的高分辨率結(jié)構(gòu)和機(jī)理信息，將來可用于開發(fā)靶向MCM2-7復(fù)合物的無毒抗癌藥物。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Jian Li et al. The human pre-replication complex is an open complex. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2022.12.008.