解析DNA復(fù)制體的結(jié)構(gòu)和工作原理

DNA是生命遺傳信息的載體，它的復(fù)制是生命繁衍過程當(dāng)中最重要的一步。關(guān)于DNA復(fù)制分子機(jī)制的研究一直是生命科學(xué)中最基本的問題之一。近日，美國國立衛(wèi)生研究院杰出研究員楊薇的課題組揭示了DNA復(fù)制體的結(jié)構(gòu)和工作原理，相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)》上。

DNA的復(fù)制由多個(gè)蛋白組成的復(fù)制體協(xié)同完成，這些蛋白包括DNA聚合酶、DNA螺旋酶、引發(fā)酶和若干輔助蛋白。早在60年前，人們就已經(jīng)確認(rèn)DNA是遺傳物質(zhì)，并且解析出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。然而直到今天，復(fù)制體如何在DNA上組裝并協(xié)同完成DNA復(fù)制這個(gè)問題，依然沒有明確的答案。

研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)，研究了模式生物T7噬菌體的DNA復(fù)制機(jī)制，并獲得了第一個(gè)復(fù)制體復(fù)制DNA的三維結(jié)構(gòu)。

人們已經(jīng)知道，在DNA復(fù)制過程中，雙鏈DNA被解旋成前導(dǎo)鏈和滯后鏈，分別作為復(fù)制模板，而前導(dǎo)鏈和滯后鏈則共同形成一個(gè)被稱作“復(fù)制叉”的結(jié)構(gòu)。

研究者發(fā)現(xiàn)在復(fù)制體結(jié)構(gòu)中，DNA聚合酶、螺旋酶和引發(fā)酶緊密地結(jié)合在“T形”的復(fù)制叉周圍，形成一個(gè)多層緊密分子結(jié)構(gòu)。前導(dǎo)鏈和滯后鏈分別被DNA聚合酶和DNA螺旋酶捕獲，兩個(gè)酶向相反的方向拉伸母鏈DNA，協(xié)同完成母鏈DNA的解旋。先導(dǎo)鏈直接被DNA聚合酶復(fù)制，而滯后鏈穿過螺旋酶后，先后被滯后鏈上的引發(fā)酶和DNA聚合酶捕獲，作為復(fù)制模板被復(fù)制。

他們甚至捕捉到了復(fù)制體尤其是螺旋酶在復(fù)制過程中的多個(gè)分子構(gòu)象，揭示了DNA復(fù)制的動態(tài)過程。

“這么多年來，教科書上的‘Y形復(fù)制叉’都來自人們的假設(shè)。而這項(xiàng)研究，是人類第一次看到真正的復(fù)制叉。有趣的是，它不是‘Y形’的，而是‘T形’的——下游DNA是‘T字’的主干，頂上的兩個(gè)分支是兩條分開了的前導(dǎo)鏈和滯后鏈?！?/p>

“我們觀察到的復(fù)制體動態(tài)過程，在細(xì)菌和真核生物中均保守存在。也就是說，復(fù)制體不僅參與了DNA復(fù)制過程，還能檢測DNA損傷和協(xié)同應(yīng)激反應(yīng)?！闭撐牡谝蛔髡?，目前在課題組里作博士后的高陽說，“這樣一個(gè)詳盡的DNA復(fù)制體結(jié)構(gòu)，能很好地揭示許多之前已經(jīng)發(fā)表的成果，并為人們理解DNA復(fù)制、重組和修復(fù)等過程之間的協(xié)調(diào)提供了基礎(chǔ)?！?/p>