Nature突破性新发现：第一次描述了细胞如何开始复制其遗传物质的关键过程

Nature：Structural dynamics of DNA unwinding by a replicative helicase

　　

莱斯特大学的科学家们首次拍摄到了详细的“分子电影”，展示了DNA在原子水平上被解压缩的过程，揭示了细胞如何开始复制其遗传物质的关键过程。

这一突破性的发现发表在著名的《自然》杂志上，可能会产生深远的影响，帮助我们了解某些病毒和癌症是如何复制的。

利用尖端的低温电子显微镜，科学家团队能够可视化解旋酶（自然界的DNA解压缩机器）在解开DNA的过程中。DNA解旋酶在DNA复制过程中是必不可少的，因为它们将双链DNA分离成单链，使每条单链都能被复制。

来自莱斯特大学结构与化学生物学研究所的Taha Shahid博士是这篇论文的主要作者，他说：“我们记录了多个快照，展示了这种分子马达是如何有条不紊地分离DNA双螺旋结构的。这就像一个分子尺度的拉链在起作用，虽然科学家们早就知道细胞需要解开DNA的拉链来复制它，但我们以前从来没有能够确切地看到这是如何发生的。

“现在我们可以观察整个过程的展开，以一种瞬间的方式，揭示生命最基本过程之一的精确机制。”

研究人员发现，解旋酶并不是像之前假设的那样通过蛮力起作用，而是通过一种优雅的机制，利用细胞燃料（ATP）作为精确的触发器。

它的功能就像一个有六个活塞的分子发动机——每个活塞按顺序“点火”，驱动机器沿着DNA前进。关键的是，它不是直接将链分开，而是释放积聚的张力——就像释放压缩的弹簧一样——让DNA自然地解开。

Shahid博士说：“这种‘熵开关’机制与我们认为的分子马达的工作原理有着根本的不同。我们还解决了一个长期存在的谜团，即细胞如何在两个方向上协调DNA复制，发现两个解旋酶机器在特定的DNA位点一起工作，建立了“复制叉”，允许同时有效地复制两条链。

这项研究是莱斯特大学和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）之间的国际合作，后者提供核心资金，而莱斯特结构和化学生物学研究所（LISCB）的米德兰兹地区低温电子显微镜设备为这项工作提供了必要的基础设施。

Taha Shahid博士继续说道：“我们发现的解旋酶机制似乎在从病毒到人类的进化过程中都是保守的，这为理解所有生命领域的DNA复制提供了一个通用的蓝图。从医学角度来看，许多病毒——包括痘病毒、乳头瘤病毒（可导致某些癌症）和多瘤病毒——依靠类似的解旋酶机制进行复制。我们详细的结构见解可以指导开发精确靶向的抗病毒疗法，在不伤害人体细胞的情况下破坏病毒复制。”

来自KAUST和莱斯特大学的论文资深作者Alfredo De Biasio博士补充说：“这项工作代表了我们对生命分子机制的理解取得了重大进展。通过将结构生物学与复杂的计算方法相结合，我们不仅能够揭示这个分子机器的样子，还能揭示它的实际工作原理。

“大自然已经在解旋酶中进化出了一种令人难以置信的高效纳米机器——了解它是如何工作的，可以启发我们设计出使用类似原理的合成分子装置，用于技术应用。”

莱斯特大学结构与化学生物学研究所所长John Schwabe教授在莱斯特大学建立了冷冻电子显微镜设备，他补充说：“这是我们世界领先的设备如何为揭示支撑生命的关键基本机制做出贡献的又一个例子。”