當我們數(shù)萬億個細胞中的一個需要復(fù)制其DNA然后分裂以產(chǎn)生相同的子細胞時，我們不必考慮將所有必需的部分放在適當位置，這是一件好事。我們永遠無法做到對。這個過程非常復(fù)雜，需要編寫一百多種高度專業(yè)化的蛋白質(zhì)，每種蛋白質(zhì)必須在恰當?shù)臅r刻和適當?shù)目臻g方向發(fā)揮作用。它經(jīng)常與精心編排的分子舞相比較。最小的錯誤，未經(jīng)修正，可能會產(chǎn)生致命的后果。重要的是基因組在每個細胞分裂周期中復(fù)制一次且僅復(fù)制一次。

在eLife雜志上，由冷泉港實驗室(CSHL)教授和HHMI調(diào)查員Leemor Joshua-Tor和CSHL主席以及Bruce Stillman教授共同領(lǐng)導(dǎo)的生物學(xué)家團隊以原子分辨率發(fā)表了多部分蛋白質(zhì)復(fù)合物的圖片。基因復(fù)制舞蹈的第一步。這個復(fù)合體的人類版本的圖像，稱為ORC - 用于原點識別復(fù)合體 - 以其活動模式顯示它。

ORC復(fù)合物在細胞核中自組裝，并在染色體中沿著雙螺旋的特定位點結(jié)合，稱為起始位點或起源。在人類細胞中，ORC在整個基因組中的數(shù)千個原始位點匯集，形成稱為復(fù)制前復(fù)合物或pre-RC的初始配置。一旦組裝好，這些前RCs就像高度準備的奧運會游泳運動員站在起跑線上，等待信號開始比賽。

像快速游泳運動員一樣，每個綜合體需要燃料來招募其“馬達”，打開雙螺旋的兩股。在ORC的情況下，它是ATP或三磷酸腺苷。在ORC的活躍階段，研究人員發(fā)現(xiàn)含有ORC亞基1,2,3,4和5的子組件與多個ATP分子結(jié)合并形成部分環(huán)狀復(fù)合物。ATP還用于募集另一種稱為CDC6的蛋白質(zhì)成分，將開環(huán)轉(zhuǎn)化為閉環(huán)。此時，多部件組件已經(jīng)接合并綁定到雙螺旋，雙螺旋穿過環(huán)的中心，像螺栓穿過螺母的中心。戒指的設(shè)計恰好適合DNA。

ORC于1991年在斯蒂爾曼實驗室被發(fā)現(xiàn)。“布魯斯最初在酵母中發(fā)現(xiàn)了ORC，”Joshua-Tor指出，“我們多年來就知道ORC復(fù)合體在從酵母到蒼蠅到哺乳動物的各種生物體中存在很大的結(jié)構(gòu)相似性。圖片有助于解釋果蠅和人類中ORC之間的形狀差異。“

使用結(jié)構(gòu)生物學(xué)的工具--X射線晶體學(xué)和低溫電子顯微鏡(cryo-EM) - 該團隊表明，這些差異類似于靜止圖像和圖像運行圖像之間的差異。最好的飛行ORC結(jié)構(gòu)已在非活動階段捕獲，而新發(fā)布的結(jié)構(gòu)捕獲人類細胞中的復(fù)合物，在其執(zhí)行其功能時所假定的配置 - 與DNA結(jié)合。

早期的ORC圖片是低分辨率和“blobby”，Joshua-Tor說。新圖像清楚地表明ATP如何在ORC組裝的一個主要部分的位置結(jié)合，由稱為ORC1，ORC4和ORC5的蛋白質(zhì)??亞基組成。這是ORC的“電機模塊”，如果沒有ATP“在船上”，則無法穩(wěn)定成像。另一個主要組件包括ORC2和ORC3。當招募CDC6蛋白時，ORC達到其環(huán)形構(gòu)型，在ORC1和ORC2亞基之間滑動。

團隊發(fā)布的活躍人類ORC的高分辨率圖像有助于解決三大謎團。“它們幫助我們了解DNA如何與ORC結(jié)合;如何使用ATP燃料;以及ORC復(fù)合物中蛋白質(zhì)的突變?nèi)绾我鹑祟惣膊。?rdquo;Joshua-Tor說。

已知由ORC復(fù)合物突變引起的一種有趣的疾病稱為Meier-Gorlin綜合征，其導(dǎo)致嚴重的侏儒癥(身材矮小)和小頭畸形(小腦)。該團隊生產(chǎn)的ORC含有多種含有Meier-Gorlin患者突變的成分蛋白。“我們發(fā)現(xiàn)其中一種突變可以完全殺死ATP活性，”Joshua-Tor報道，因此在其基因組復(fù)制中損害了ORC?；加羞@種突變的兒童有一個好的副本和一個有缺陷的副本，基本上產(chǎn)生一半所需的ORC，導(dǎo)致他們的身體和大腦的小。另一個突變使得ORC 1,4,5運動模塊過度活躍，但當添加到ORC 2,3時，使整個復(fù)合物的活性低于正常值。這些結(jié)構(gòu)細節(jié)有助于解釋為什么Meier-Gorlin綜合癥發(fā)生。

也許新的人類ORC圖片提供的最廣泛的見解是進化的。雖然原始酵母和復(fù)雜人類的ORC 運作方式不同 - 酵母蛋白在細胞分裂過程中是穩(wěn)定的，而在人類中它是動態(tài)組裝和分開的 - 研究人員指出，它們在重要方面“非常相似”。

“兩者都非常類似于另一種ATP驅(qū)動的機器，它也將環(huán)狀蛋白質(zhì)加載到DNA上，DNA聚合酶鉗裝載器，顯示這些將環(huán)狀蛋白質(zhì)加載到DNA上的分子機器已被重新用于多個階段DNA復(fù)制，“該團隊寫道。它們都充當分子開關(guān)，水解ATP的能量以鎖定雙鏈DNA上的蛋白質(zhì)環(huán)。