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DNA复制过程的关键奥秘

最近,沙特国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology,KAUST)的研究人员,揭开了DNA复制过程中的一个关键奥秘。相关研究结果发表在最近的国际顶级学术刊物《Nature》。

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在一个细菌分裂之前,它必须通过一个称为DNA复制的过程,复制其遗传物质——类似成束橡皮筋的循环DNA分子。在这个过程中,两条DNA构成了松散的环状DNA分子,并分开成为生成新链的模板。
  

为了确保这个过程被很好的调节,细菌还设置了许多“路障”,或DNA上的终止位点,以确保复制叉的永久停止,复制叉是DNA分子分裂时链之间形成的Y型结构。
  

这项研究,是由KAUST博士生Mohamed Elshenawy和KAUST生物和环境科学与工程部门的副教授Samir Hamdan,以及来自澳大利亚卧龙岗大学的同事合作完成的,这项研究阐释了“为什么在体外终止位点能够永久地停止复制叉,而在活细菌中,超过50%的复制叉(靠近终止位点),会持续不停的合成”。
  

一个终止位点包含23个碱基对的终止序列(Ter),它们与Tus蛋白结合。Tus-Ter复合体的不寻常之处在于,它能够通过让复制叉从一个(而不是另一个)方向前进,解开一条攀登绳上的绳结。这个极性设置了一个“陷阱”,允许第一个达到的复制叉进入,直到另一个复制叉抵达,才离开终点区域。
  

Hamdan和他的研究团队认为,来自运动(或动力学)的能量,可能作用于这些终止位点。他们用单分子成像技术记录这些分子过程,以高时空的分辨率,聚焦于大肠杆菌复制叉的命运,因为它们接近于来自任一方向的一个终止位点。
  

他们的研究结果表明,极性和复制叉捕获的效率,是由Tus取代率和Tus-Ter相互作用之间的一种竞争所决定的。Tus-Ter相互作用,可堵塞两种不同机制引起的较慢的移动复制体。这意味着更快移动的复制叉可敲击Tus-er重排并取代Tus,而较慢移动的复制叉则被有效地堵塞。
  

这解决了困扰我们对DNA复制理解的一个长期存在的奥秘,对所有领域生命的理解也有重要影响。Hamdan强调说:“对于酶学领域来说,这些研究结果是引人注目的。”他指出,在催化过程中个别酶会发生波动,这个波动频率在可能相同的酶分子之间是有差异的,这都是单分子成像对生物学的新贡献。
  

Hamdan解释说:“这项研究首次证明,酶分子的这些特性实际上会影响生物学。”
  

分子马达和双链DNA结合蛋白之间的交流,是DNA复制、修复、重组和转录中的一个共同特点,也存在于这些过程之间发生冲突的情况下。Hamdan说,对不同分子马达的不同反应的演化,可能调节着这些过程之间的交流。

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