Science意外发现：首次详细捕捉到DNA复制的隐藏机制

MSK的研究人员对G-四联体（一种二级DNA结构，作为癌症的潜在治疗靶点而受到关注）有了新的认识。

　　

每天，人体内有数十亿个细胞分裂，用新细胞替换老细胞和受损细胞。每次发生这种情况时，你的整个遗传库——基因组（包含超过30亿对碱基的DNA）都必须从母细胞精确地复制到新的子细胞中。

当生物体遇到问题——科学家称之为“复制压力”，这一过程更容易出错，这些错误往往会导致基因密码发生突变。这些突变可以被复制并引发癌症和其他疾病。

复制压力的一个来源是复制DNA的生物机械装置被卡住。其中一种情况是DNA模板本身可以采用替代结构。例如，富含鸟嘌呤碱基（在DNA代码中用G表示）的基因组区域可以折叠成一种称为G-四链体（简称G4）的DNA结构，这种结构比正常DNA更紧凑。

利用冷冻电镜（cryo-EM），纪念斯隆·凯特琳癌症中心（MSK）的一组结构和分子生物学家着手研究G4——这种结构作为癌症治疗的潜在靶点已经引起了关注，希望了解它们对DNA复制的影响。此外，科学家们意外地首次详细捕捉到驱动细胞复制机械装置的“引擎”在人类细胞中沿DNA移动的过程。

他们的研究结果于3月7日发表在世界领先的科学期刊《科学》上，不仅揭示了像G4这样的二级DNA结构如何阻碍DNA复制的新细节，还为人类生物学的基础研究提供了新的见解。

该研究由共同第一作者Sahil Batra博士（Dirk Remus博士实验室的研究学者）和Benjamin Allwein（Richard Hite博士实验室的研究生）领导。

“DNA双螺旋是科学中最具辨识度的分子结构之一，”Batra博士说，“但DNA实际上可以存在多种形状，G-四链体就是其中之一。目前有药物正在开发用于靶向癌细胞中的G4，但G4产生有害影响的机制尚不清楚——这也是我们研究它们的原因之一。”

研究人员表示，G4与一些著名的癌症驱动癌基因如MYC和KRAS有关，还与癌细胞通过补充染色体末端的端粒来延长寿命的能力有关。

“因此，通过靶向癌细胞中的G4，你可以将其锁定在原位，防止DNA被解开和复制，从而干扰癌细胞的分裂和增殖能力，”Remus博士说，“我们已经知道G4与基因组不稳定性有关——而我们的研究现在提供了更清晰的关于它们如何工作以及为什么它们如此有害的理解。”

结构生物学家使用各种工具来观察生物分子的形状，并研究它们之间的物理相互作用。这可以提供其他方法无法获得的见解，并使研究人员有机会例如阻断或增强特定蛋白质或蛋白质复合体的活性。

这项新研究提供了关于这些二级DNA结构如何对DNA复制机械装置构成物理障碍的确凿证据，并引发了关于如何解决这些问题以完成复制的新问题。

“当我们的细胞分裂时，我们的DNA需要被复制，以便从母细胞向新的子细胞传递完整的遗传指令集，”Hite博士说，“复制过程由具有多个亚基的大型蛋白质复合体完成，称为复制体。复制体负责解开DNA，然后合成新DNA以分配给子细胞。”

在细胞分裂过程中，熟悉的双链DNA螺旋被分成两条单链，细胞的复制机械装置沿着这些单链移动，就像单轨列车一样，Allwein解释说。

“这些冷冻电镜图像显示我们的是，G4结构可以被困在——就像单轨列车轨道上的障碍物——环形蛋白质复合体CMG解旋酶的中心，而CMG解旋酶是解开DNA链的引擎，”他说。

通过揭示G4如何阻断复制，科学家现在可以利用这种理解来指导未来的研究，并开发涉及这一关键细胞过程的治疗方法。

“如果这些障碍总是导致不可逆的停滞，我们就永远不会成功地进行细胞分裂，”Batra博士补充说，“因此，这也将帮助我们更多地了解DNA在复制过程中如何被修复、修饰和纠正。这些问题与多种疾病有关，包括癌症和神经退行性疾病。”

研究人员还意外发现了一个关于CMG解旋酶如何沿DNA链移动的额外发现。

“蛋白质沿着DNA链移动以读取和处理遗传信息是很常见的，”Remus博士说，“但在大多数情况下，我们仍然不了解在分子水平上真正发生了什么。蛋白质实际上（物理上）是如何沿着DNA移动的？”

这是一个具有挑战性的过程，需要在原子尺度上捕捉以了解发生了什么。细菌和病毒的研究长期以来提供了一个工作模型。

“然而，我们的研究表明，在像人类这样的复杂生物体中，这种酶的移动方式完全不同，”Hite博士补充说。

在他们的论文中，科学家们将这种移动描述为“螺旋式毛毛虫”，意味着它在两种状态——平坦和螺旋形状——之间转换，当它环绕DNA链时。

“这两种状态之间的振荡推动它沿着DNA移动——使其能够在细胞分裂时解开那30亿对碱基，”Hite博士说。