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李慧林Nature子刊解开生命基本法则的“环”之谜

2017/02/24 来源:生物通
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导读
美国文安德尔研究所等处的研究人员最近详细描述了DNA复制中的关键第一步,文章的通讯作者之一,文安德尔研究所的表观遗传学中心教授李慧林博士说,“这是关于一个‘王者’环的故事。


中心法则是遗传信息从DNA到DNA的复制、继而从DNA传递给RNA的转录、再从RNA传递给蛋白质的翻译过程的转移法则,是生物大分子DNA、RNA和蛋白质参与细胞生命活动所遵循的重要规律。其中DNA复制就是这一法则的第一步,也是最重要的一步,虽然多年来科学家们解析了这一步骤的多个方面,但是关于复制起始复合体(ORC)的环状蛋白质依然是个谜。

来自美国文安德尔研究所等处的研究人员最近详细描述了DNA复制中的这个关键第一步,相关研究成果公布在2月13日的Nature Structural & Molecular Biology杂志上,文章的通讯作者之一,文安德尔研究所的表观遗传学中心教授李慧林(Huilin Li,音译)博士说,“这是关于一个‘王者’环的故事。生物学家多年前就已经知道,ORC和解旋酶是DNA复制起始和复制进程中必不可少的环状结构,但到目前为止,我们从未了解ORC环如何将解旋酶环装载到DNA上的。”

多细胞生物在细胞分裂之时进行生长,在细胞分裂之前,它必须为新细胞生成组成元件副本。由于DNA信息被密封在DNA双链内部,访问和复制信息之前一种叫做复制体(replisome)的专门机器必须要解开DNA链。MCM马达是复制体的关键组成部分,它负责解开配对的DNA链。而MCM是一个闭合的蛋白质环,在它环绕DNA长链之前必须首先要打开它,ORC就负责解决这一问题。它可以打开MCM环,让其能够环绕并解开DNA。

这项最新研究揭示了ORC的特殊α-螺旋能进入DNA的一个凹槽中,启动DNA复制的一系列级联微管相互作用。此外研究还发现ORC在Cdc6和Cdt1的帮助下,通过翼状螺旋结构域的配对相互作用将解旋酶核心部分加载到DNA上,这样就会形成14个组合蛋白结构,完成第一个解旋酶环的加载,然后准备加载下一个环。

这整个过程代表了一个非常复杂且精细的系统开始运作,在人体许多细胞中DNA上的数万个位点上不间断工作,它们都是从ORC开始的。

此前的研究表明,ORC是一个六亚基蛋白质复合体,其中有五个亚基形成了一个微微张开的环,第六个亚基Orc6形成了一条尾巴。最新研究显示,亚基组成的复合物形成月牙状,包裹住DNA双链。然后ORC会召集第七种蛋白,也就是Cdc6,绕住DNA。这个环与第二个环相连,微染色体维持蛋白(Cdt1-bound Mcm2-7 hexamer)围绕在DNA周围,完成第一个Mcm2-7六聚体的加载。

“这就像是把一条珍珠串在一根绳子上,不过DNA链更长,因此珍珠不会到达末端。相反它们会沿着链以某种方式打开,之后再次关闭,”文章的另外一位通讯作者,伦敦帝国理工学院教授Christian Speck说。

这项研究是通过冷冻电子显微镜(cryo-EM)完成,李教授表示,“我们希望通过描绘这一过程,能最终将这种知识转化为DNA复制相关的治疗方法,用于包括癌症和罕见病在内的多种疾病的治疗”。

(生物通:张迪)

原文摘要:

Structural basis of Mcm2–7 replicative helicase loading by ORC–Cdc6 and Cdt1

To initiate DNA replication, the origin recognition complex (ORC) and Cdc6 load an Mcm2–7 double hexamer onto DNA. Without ATP hydrolysis, ORC–Cdc6 recruits one Cdt1-bound Mcm2–7 hexamer, thus forming an ORC–Cdc6–Cdt1–Mcm2–7 (OCCM) helicase-loading intermediate. Here we report a 3.9-Å structure of Saccharomyces cerevisiae OCCM on DNA. Flexible Mcm2–7 winged-helix domains (WHDs) engage ORC–Cdc6. A three-domain Cdt1 configuration embraces Mcm2, Mcm4, and Mcm6, thus comprising nearly half of the hexamer. The Cdt1 C-terminal domain extends to the Mcm6 WHD, which binds the Orc4 WHD. DNA passes through the ORC–Cdc6 and Mcm2–7 rings. Origin DNA interaction is mediated by an α-helix within Orc4 and positively charged loops within Orc2 and Cdc6. The Mcm2–7 C-tier AAA+ ring is topologically closed by an Mcm5 loop that embraces Mcm2, but the N-tier-ring Mcm2-Mcm5 interface remains open. This structure suggests a loading mechanism of the first Cdt1-bound Mcm2–7 hexamer by ORC–Cdc6.

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