Højopløsningsbillede af strukturen af ​​oprindelsesgenkendelseskomplekset bundet til DNA afsløret

Celler formerer sig ved at lave kopier af sig selv via genomreplikation. Formodentlig, replikation af DNA er den mest fundamentale og bevarede mekanisme af alle livsformer. At knække hemmeligheden om, hvordan denne proces opnås med den største nøjagtighed, er nøglen til at forstå livets hemmelighed. Da Watson og Crick første gang foreslog, hvordan DNA replikeres baseret på strukturen af ​​DNA-dobbelthelixen for mere end et halvt århundrede siden, mange troede, at strukturen af ​​det maskineri, der adskiller de to DNA-strenge til replikation, ville være på vej. Imidlertid, replikeringsmaskinen viser sig at være meget mere kompliceret end tidligere forestillet på grund af dens store størrelse, dens tredelte karakter (den består af tre motorer) og fleksibilitet. Strukturel information for DNA-replikationsmaskineriet ved atomopløsning ved konventionelle metoder var ikke tilgængelig før for ganske nylig med fremkomsten af ​​opløsningsrevolutionen af ​​cryo-EM-teknologi.

En række artikler udgivet af Tye (HKUST)/Gao (Peking University)-samarbejdet åbner døren for at dechifrere funktionen af ​​DNA-replikationsmaskineriet med hidtil usete opløsninger. Den første, udgivet i Natur 2015, bestemt strukturen af ​​kernemotoren i DNA-replikationsmaskinen kaldet MCM-komplekset. Den anden rapporterede en åbenringet struktur af Cdt1-Mcm2-7-komplekset som en forløber for MCM-dobbelthexameren. Den tredje dukker nu op Natur , detaljering af atomstrukturen af ​​Origin Recognition Complex (ORC), der udvælger startsteder i hele genomet for at initiere DNA-replikation.

Hvert menneske kom fra en enkelt celle (befrugtet æg) efter cirka 1016 celledelinger. Hver celledeling kræver den nøjagtige replikation af genomet, således at hver dattercelle modtager et komplet komplement af den identiske genetiske information i form af DNA. Aberrant DNA-replikation, der resulterer i deregulerede celledelinger, er årsagen til mange kræftformer og udviklingsforstyrrelser. Genomreplikation er lige så vigtig i vedligeholdelsen af ​​levende organismer, da alle celler har "udløbsdatoer", og de fleste genopfyldes af stamceller, der bevarer evnen til at dele sig.

Aldring er også et generelt fænomen af ​​nedbrydning af replikationsmaskineriet, enten i reparationssyntese af beskadiget DNA eller i troværdigheden af ​​helgenomreplikation. I en undersøgelse ledet af professor Bik Tye og Dr. Yuanliang Zhai ved HKUST, med professor Ning Gao ved Peking University, strukturen af ​​maskinen kaldet Origin Recognition Complex (ORC), der initierer DNA-replikation, blev bestemt ved atomopløsning for første gang ved hjælp af kryo-elektronmikroskopi. Denne struktur forklarer, hvordan ORC er i stand til at scanne et hav af baser (DNA består af 4 baser, EN, T, G, C) for at vælge de korrekte steder, der er programmeret til, at DNA-replikation kan begynde. Det menes, at vilkårlig udvælgelse af for mange steder kan føre til hurtig replikation af genomet og derfor hurtige celledelinger, en egenskab ved kræftceller. I modsætning, ineffektiv udvælgelse af steder, der resulterer i træge celledelinger, især ved kritiske tidspunkter for menneskelig udvikling, kan føre til udviklingsforstyrrelser.

Et eksempel på dette er Meier-Gorlin Syndrome (MGS), en sjælden form for arvelig dværgvækst, der er karakteriseret ved prænatal hæmmet vækst og postnatal proportional kort statur. Interessant nok, mutationer forbundet med MGS er lokaliseret i fem gener (ORC1, ORC4, ORC6, CDT1 og CDC6), som alle er komponenter i DNA-replikationsinitieringsmaskinen. Plaget individer med ORC1- og ORC4-mutationer ser ud til at have den mest alvorlige kortvoksning. I undersøgelsen, der vises i det aktuelle nummer af Nature, Tye/Gao viste, at af de seks underenheder, der danner ORC-komplekset af replikationsinitieringsmaskinen, ORC1 og ORC4 spiller den afgørende rolle i selektionsmekanismen for initieringssteder.

Grundlæggende den vigtigste funktion af ORC er at rekruttere MCM dobbelt hexameriske kompleks, den katalytiske kerne af DNA-helicasen, der adskiller duplex-DNA, på oprindelses-DNA. Den atomare struktur af ORC bundet til DNA rapporteret i dette nummer af Nature afslører, at bøjning af DNA ved ORC giver en docking overflade til indsættelse af DNA i den åbne ring af MCM helicasen. Desuden, det afslører, at oprindelses-DNA er udvalgt for sin unikke struktur snarere end specifikke basesekvens. Disse nye fund hjælper med at forklare, hvordan ORC udvælger replikationsstartsteder på unikke steder i genomet, som ikke er forudsigelige udelukkende af deres basesekvenser.

DNA-replikation er en definerende egenskab for alle levende organismer, og maskinen, der udfører denne funktion, er konserveret fra svamp til planter til mennesker. At forstå atomstrukturen af ​​DNA-replikationsmaskinen (eller enhver biomolekylær maskine) er fundamentalt vigtig, fordi al anvendt teknologi og teknik er baseret på grundlæggende videnskab/viden. For eksempel, et tredimensionelt billede af DNA-replikationsmaskinen ved 3Å opløsning kan hjælpe os med at identificere bedre mål for cancerterapi, således at syntetiske kemikalier kan specialfremstilles til at passe til målet. Vigtigere, strukturer hjælper os til fuldt ud at forstå de mekanistiske funktioner af molekylære maskiner og derfor rødderne til sygdomme på grund af disse maskiners suboptimale funktioner. Mod dette mål, Hong Kong University of Science &Technology vil etablere et topmoderne kryo-elektronmikroskopianlæg til undersøgelse af højopløsningsstrukturer i biomolekylære maskiner.