揭示細(xì)胞讀取和復(fù)制DNA機(jī)制

來(lái)自美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Cynthia Wolberger博士、James Berger博士及其同事們揭開(kāi)了DNA如何組裝和保存遺傳信息的各個(gè)方面。他們仔細(xì)研究了DNA復(fù)制機(jī)器的各個(gè)部分如何組裝在一起。

新研究揭示DNA組裝的意外變化

為了讓DNA中的基因“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”，細(xì)胞中的酶必須與核小體相互作用，其中作為一種復(fù)合物，核小體含有允許細(xì)胞組裝DNA的蛋白。一種稱為Dot1L的酶在混合譜系白血病（mixed lineage leukemia）---一種兒童白血病---中發(fā)生突變。

一種稱為泛素的小蛋白標(biāo)簽被附著到核小體上以協(xié)助招募Dot1L。然而，酶Dot1L如何在物理上與核小體或這種泛素標(biāo)簽連接在一起在此之前一直是不清楚的。為此，約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物物理學(xué)與生物物理化學(xué)教授Cynthia Wolberger博士和Wolberger實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Evan Worden博士在一項(xiàng)新的研究中，使用一種稱為低溫電鏡（cryo-EM）的成像工具來(lái)凍存核小體中的分子和Dot1L，以便觀察這兩者之間如何相互作用。

他們?cè)谶@項(xiàng)新的研究中取得的發(fā)現(xiàn)是出乎意料的：Dot1L改變了核小體的形狀，使得它與Dot1L酶更緊密地結(jié)合在一起。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Mechanism of Cross-talk between H2B Ubiquitination and H3 Methylation by Dot1L”。

用cryo-EM拍攝的高分辨率圖像揭示了核小體核心中前所未有的變化。當(dāng)Dot1L連接在一起時(shí)，來(lái)自核小體中心的尾部向上擺動(dòng)，將這種酶固定到它的表面上，從而導(dǎo)致核小體結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列其他的變化。

這些研究人員說(shuō)，這種觀察代表了他們對(duì)遺傳病的思考方式的轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)楹诵◇w結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響人體的細(xì)胞如何獲取它們的DNA。特別是對(duì)于兒童白血病，發(fā)現(xiàn)核小體如何改變形狀，使得它與Dot1L很好地匹配在一起，從而可能會(huì)為尋找靶向這種連接的新療法提供機(jī)會(huì)。

科學(xué)家們拼湊出DNA復(fù)制機(jī)器的工作原理

它在整個(gè)人體中發(fā)生了數(shù)萬(wàn)億次：微小的分子機(jī)器將細(xì)胞中的DNA進(jìn)行復(fù)制，然后產(chǎn)生60億個(gè)DNA片段的兩個(gè)完全相同的拷貝，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物物理學(xué)與生物物理化學(xué)教授James Berger說(shuō)道，“這種精確度是非常顯著的，而且它是在如此小的規(guī)模上發(fā)生的。”

科學(xué)家們使用術(shù)語(yǔ)“復(fù)制體（replisome）”來(lái)指代復(fù)制DNA的分子機(jī)器。復(fù)制體是蛋白和酶的集合，它們連接在一起形成DNA復(fù)制機(jī)器。Berger說(shuō)，“我們理解復(fù)制體的不同部分如何發(fā)揮作用，但是我們并不理解它們?nèi)绾螀f(xié)同發(fā)揮作用。” Berger的實(shí)驗(yàn)室專門研究DNA如何自我復(fù)制。

Berger說(shuō)，復(fù)制體就像一臺(tái)自給自足的復(fù)印機(jī)，卷入一片DNA并吐出兩份。讓這臺(tái)復(fù)印機(jī)運(yùn)作的馬達(dá)稱為解旋酶。它解除配對(duì)并解開(kāi)雙鏈DNA，因此這種分子復(fù)制機(jī)器能夠訪問(wèn)和復(fù)制存儲(chǔ)在遺傳密碼中的分子信息。像許多汽車馬達(dá)一樣，解旋酶由六個(gè)圓柱體或著說(shuō)“環(huán)”驅(qū)動(dòng)，它環(huán)繞DNA并沿著DNA移動(dòng)。

Berger的研究團(tuán)隊(duì)研究了細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)一種名為DnaC的酶如何將解旋酶的一個(gè)環(huán)加載到DNA上。在2019年2月發(fā)表在Molecular Cell期刊上的一篇論文中，這些研究人員發(fā)現(xiàn)DnaC與解旋酶結(jié)合，并且使用它的六個(gè)臂中的一個(gè)，將解旋酶的這個(gè)環(huán)打開(kāi)，從而將這個(gè)環(huán)連接到DNA鏈上。DnaC隨后將這個(gè)環(huán)關(guān)閉。

Berger實(shí)驗(yàn)室正在繼續(xù)研究DnaC如何從這種分子復(fù)制機(jī)器中彈出，解旋酶馬達(dá)如何固定在分子復(fù)制機(jī)器上以及解旋酶如何沿著DNA移動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)將有助于為靶向解旋酶進(jìn)行抗菌治療鋪平道路，并將提供關(guān)于發(fā)生突變的解旋酶發(fā)生故障時(shí)遺傳疾病如何產(chǎn)生的新見(jiàn)解。