港大生物学家及其合作者揭示DNA解拉链机的工作原理，为癌症治疗提供线索

由香港大学(港大)生物科学学院Yuanliang ZHAI博士领导的研究小组，与香港科技大学(港科大)和法国居里研究所的合作者，发现了人类MCM2-7复合体调控复制启动的新机制，可作为一种新颖有效的抗癌策略，具有选择性杀伤癌细胞的潜力。研究结果最近发表在《Cell》杂志上。

　　

   

   

人体MCM双六聚体(hMCM-DH)与原始DNA结合后形成了初始开放结构(IOS)。

资料来源:Yuanliang ZHAI博士领导的研究小组，与香港科技大学(科大)和法国居里研究所的合作者，发现了人类MCM2-7复合体调控复制启动的新机制，可作为一种新颖有效的抗癌策略，具有选择性杀伤癌细胞的潜力。

人类的生命始于母亲子宫中的一个受精卵。这个卵子通过细胞分裂繁殖并发育成我们的多细胞体。在每次细胞分裂过程中，我们的基因组DNA，遗传信息的蓝图，被准确地复制。每个细胞携带大约2米长的DNA，组成23对染色体。在我们的一生中(约70岁)，我们的身体将合成超过一光年长度，大约10¹⁶ 米DNA。复制过程首先需要将DNA双链熔化，然后分离成两条单链模板，供DNA聚合酶合成为补体链。这一过程的任何调控不当都可能导致可怕的后果，如肿瘤发生和遗传性遗传疾病。

“揭开DNA复制的秘密是理解生命奥秘的关键。香港大学生物科学学院助理教授Yuanliang ZHAI博士说，“弄清复制机器的结构，对了解它们的分子功能(眼见为实)至关重要。”

自1953年詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克确定DNA结构以来，DNA双链结构最初是如何融化的一直是生物学家们的一个长期问题。在真核生物中，在复制过程中负责解开DNA双链的酶最初是由我们的合作者康奈尔大学的Bik-Kwoon TYE教授于1983年从葡萄酒酿造酵母中鉴定出的小染色体维持蛋白复合物(MCM)基因。六个MCM基因的产物，MCM2到MCM7 (MCM2-7)，形成一个六亚基环复合体，作为解压缩机的催化核心，DNA复制解旋酶。在细胞中，为了启动DNA复制，MCM2-7复合体必须首先组装成一个头对头的双六聚体(DH)，环绕在每条染色体上数千个位置的双链DNA。在大量组装的MCM2-7 DHs库中，只有其中的一个子集将最终被选中，并转化为用于DNA unwind的强大复制解旋酶。人们认为MCM2-7 DH可以直接破坏DNA的稳定，从而触发双链DNA的初始开放。然而，潜在的机制在很大程度上仍然未知。

为了解决这个问题，研究团队试图使用冷冻电子显微镜来可视化MCM2-7 DH的原子细节，这些细节几乎比人眼的分辨率极限小数百万。

2015年，该团队解决了第一个从酵母3.8Å分离出的MCM2-7 DH的冷冻电镜结构。不幸的是，捕获的DNA是不稳定的，未能告知由MCM2-7 DH结合的DNA双链状态。最近，研究人员成功地从培养的人类细胞中纯化了MCM2-7 DH，并确定了其结构为2.59Å。这种高分辨率的结构清晰地展示了MCM2-7复合物如何破坏DNA的稳定，从而在两个耦合的MCM2-7六聚体的接合处产生DNA双链的初始开口。研究小组还发现，MCM2-7 DHs被加载到人类基因组中数万个位点的DNA上，这些位点与活性转录位点相互排斥。此外，当这种初始的开放结构受到干扰时，MCM2-7 DHs就不能再组装到DNA上，从而导致DNA复制起始的完全抑制。

香港科技大学生命科学部助理教授Shangyu DANG博士说:“原子分辨率的低温电子显微镜结构使我们能够直接看到最初的DNA融化，这对我们了解DNA复制的分子机制至关重要。这项研究也证明了合作的重要性。需要具有互补专业知识的研究小组的努力来回答基本的生物学问题。”

DNA复制已经被几种治疗癌症的药物靶向。然而，现有的药物会不分青红皂白地杀死所有正在分裂的细胞，因为正常细胞和癌细胞都必须复制它们的DNA才能增殖。因此，这些药物的特异性引起了人们对这些抗癌化疗的严重关注。更理想的替代方法是抑制DNA复制启动，使正常细胞在G1期(第一生长期)被阻止或从细胞周期退出到G0状态(静息期)。但是癌细胞会发生凋亡。因此，抑制复制启动可以作为一种新型有效的抗癌策略，具有选择性杀伤癌细胞的潜力。我们在本研究中的发现提供了关于人类预起始复合物的高分辨率结构和机制信息，可用于未来以MCM2-7复合物为靶点开发无毒抗癌药物。

The human pre-replication complex is an open complex