DNA复制分子马达的新见解

　　代尔夫特理工大学的研究人员开发了一种新方法来组装和成像DNA复制中的分子马达CMG，为复制过程提供了前所未有的分辨率和洞察力。这一进展可能会使人们更好地了解遗传疾病和癌症的发展。

　　

DNA复制是细胞在分裂前精确复制DNA的过程。复杂的DNA复制机制的一个关键部分是一个叫做CMG的分子马达，它的重要任务是分离DNA双螺旋的两条链，使它们能够被复制。来自代尔夫特理工大学的一个跨学科研究小组现在开发了一种新的方法，以前所未有的分辨率组装和成像CMG的运动。他们的研究结果于2023年4月14日发表在《Nature Communications》这将为DNA复制研究的进一步发现铺平道路。

DNA复制是生命的基础，因为遗传信息在几代细胞之间的忠实传递对所有生物的生存和健康至关重要。它是由一种复杂的细胞机制来完成的，这种机制被称为复制体，由蛋白质组成。这种机制的一个关键组成部分是CMG，它是在DNA复制过程中为复制体提供动力的分子马达。CMG的重要任务是分离DNA双螺旋的两条链，这样它们编码的信息就可以被读取和复制。“了解CMG如何沿着DNA移动对于我们理解DNA复制至关重要，”该出版物的研究人员和第一作者Daniel Ramírez Montero说。研究DNA复制非常重要，因为这个过程中的错误可能导致遗传疾病或癌症。      

胶片运动

在活细胞中，CMG通过涉及36种不同蛋白质的复杂生化反应级联进行组装和激活。在斯宾诺莎奖得主Nynke Dekker教授的带领下，代尔夫特理工大学的一组研究人员与弗朗西斯克里克研究所组长John Diffley博士合作，开发了一种方法，可以在细胞外执行这种严格控制的过程，并测量单个CMG分子马达的运动。研究人员从细胞中提取了所有36种蛋白质，以在DNA上构建CMG。通过将荧光标记贴在部分蛋白上，他们可以在荧光显微镜下直接观察CMG分子马达的运动。                 

“通过这种新方法，我们能够可视化从头开始制作的单个CMG的运动。我们使用光学镊子来固定含有CMG的DNA，以便于可视化，然后拍摄CMG沿着DNA移动的视频。通过这种方式，我们可以首次在单分子水平上测量它的运动，”Ramírez Montero解释说。

新见解

采用自下而上的方法，结合了尖端的生物化学和生物物理学，研究小组首次能够直接可视化从头组装的单个CMG电机的运动，并以前所未有的分辨率测量这种运动。此外，他们还意外发现，当一种叫做ATP的关键分子缺失时，CMG可以沿着DNA随机移动;此外，他们还表明，随后ATP的重新结合允许CMG紧紧地抓住DNA，从而停止其随机运动。这种停止很重要，因为它可能促进CMG的激活，这是DNA复制起始的关键过程。

这项工作将为进一步的研究铺平道路，这些研究可能会揭示DNA复制关键过程的未知细节。这些发现反过来可以让我们更接近于理解细胞如何在每次细胞分裂时忠实地传递它们的遗传信息，以及更好地理解这个过程中的错误，这些错误可能导致遗传疾病或癌症的发展。Ramírez Montero:“生物系统乍一看可能非常复杂和混乱，但通过在这个分辨率下观察它们，我们可以理解它们背后简单而优雅的物理原理。”

参考文献:“Nucleotide binding halts diffusion of the eukaryotic replicative helicase during activation” by Daniel Ramírez Montero, Humberto Sánchez, Edo van Veen, Theo van Laar, Belén Solano, John F. X. Diffley and Nynke H. Dekker, 14 April 2023, Nature Communications.