揭示細胞讀取和復制DNA機制

來自美國約翰霍普金斯大學醫學院的Cynthia Wolberger博士、James Berger博士及其同事們揭開了DNA如何組裝和保存遺傳信息的各個方面。他們仔細研究了DNA復制機器的各個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“開啟”和“關閉”，細胞中的酶必須與核小體相互作用，其中作為一種復合物，核小體含有允許細胞組裝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---中發生突變。

一種稱為泛素的小蛋白標簽被附著到核小體上以協助招募Dot1L。然而，酶Dot1L如何在物理上與核小體或這種泛素標簽連接在一起在此之前一直是不清楚的。為此，約翰霍普金斯大學醫學院生物物理學與生物物理化學教授Cynthia Wolberger博士和Wolberger實驗室博士后研究員Evan Worden博士在一項新的研究中，使用一種稱為低溫電鏡（cryo-EM）的成像工具來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。

他們在這項新的研究中取得的發現是出乎意料的：Dot1L改變了核小體的形狀，使得它與Dot1L酶更緊密地結合在一起。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為“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Dot1L連接在一起時，來自核小體中心的尾部向上擺動，將這種酶固定到它的表面上，從而導致核小體結構發生一系列其他的變化。

這些研究人員說，這種觀察代表了他們對遺傳病的思考方式的轉變，這是因為核小體結構的變化會影響人體的細胞如何獲取它們的DNA。特別是對于兒童白血病，發現核小體如何改變形狀，使得它與Dot1L很好地匹配在一起，從而可能會為尋找靶向這種連接的新療法提供機會。

科學家們拼湊出DNA復制機器的工作原理

它在整個人體中發生了數萬億次：微小的分子機器將細胞中的DNA進行復制，然后產生60億個DNA片段的兩個完全相同的拷貝，同時不會產生錯誤。約翰霍普金斯大學醫學院生物物理學與生物物理化學教授James Berger說道，“這種精確度是非常顯著的，而且它是在如此小的規模上發生的。”

科學家們使用術語“復制體（replisome）”來指代復制DNA的分子機器。復制體是蛋白和酶的集合，它們連接在一起形成DNA復制機器。Berger說，“我們理解復制體的不同部分如何發揮作用，但是我們并不理解它們如何協同發揮作用。” Berger的實驗室專門研究DNA如何自我復制。

Berger說，復制體就像一臺自給自足的復印機，卷入一片DNA并吐出兩份。讓這臺復印機運作的馬達稱為解旋酶。它解除配對并解開雙鏈DNA，因此這種分子復制機器能夠訪問和復制存儲在遺傳密碼中的分子信息。像許多汽車馬達一樣，解旋酶由六個圓柱體或著說“環”驅動，它環繞DNA并沿著DNA移動。

Berger的研究團隊研究了細菌，發現一種名為DnaC的酶如何將解旋酶的一個環加載到DNA上。在2019年2月發表在Molecular Cell期刊上的一篇論文中，這些研究人員發現DnaC與解旋酶結合，并且使用它的六個臂中的一個，將解旋酶的這個環打開，從而將這個環連接到DNA鏈上。DnaC隨后將這個環關閉。

Berger實驗室正在繼續研究DnaC如何從這種分子復制機器中彈出，解旋酶馬達如何固定在分子復制機器上以及解旋酶如何沿著DNA移動。這些發現將有助于為靶向解旋酶進行抗菌治療鋪平道路，并將提供關于發生突變的解旋酶發生故障時遺傳疾病如何產生的新見解。