在细胞分裂时，酶、蛋白质一起清理DNA末端的细节

　　

麦迪逊-威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员描述了一种酶和蛋白质相互作用以维持染色体末端的保护帽(端粒)的方式，这是对人类细胞如何通过重复细胞分裂来保持DNA完整性的新见解。

正如我们所知，DNA复制对于生命的延续至关重要，但这一过程的许多复杂性——无数的生物分子如何到达它们需要去的地方，如何在一系列错综复杂的步骤中相互作用——仍然是一个谜。

“这种被称为Polα-引物酶的酶的工作机制几十年来一直难以捉摸，”生物化学助理教授Ci Ji Lim说，他是这篇《自然》(Nature)文章的通讯作者。“我们的研究为理解染色体末端的DNA合成提供了一个重大突破，并对DNA复制机器的中心齿轮Polα-引物酶如何运作提出了新的假设。”

每次细胞分裂时，构成单个染色体的长DNA分子末端的端粒会略微缩短。端粒保护染色体，就像保护鞋带的末端一样。最终，端粒如此之短，以至于染色体上重要的遗传密码暴露出来，细胞就无法正常工作，进入僵尸状态。细胞日常维护的一部分包括通过使用Polα-引物酶补充这种DNA来防止过度缩短：在端粒构建位点，Polα-引物酶首先构建一个核酸短引物(称为RNA)，然后将该引物与DNA(后来称为RNA-DNA引物)扩展。科学家认为，当Polα-引物从RNA分子合成转换到DNA分子合成时，需要改变其形状。Lim的实验室发现，Polα-引物酶在端粒复制机器的另一个齿轮的帮助下，使用刚性支架在端粒上制造RNA-DNA引物，这是一种称为CST的附属蛋白。CST就像一个走走停停的标志，停止其他酶的活性，并将Polα-引物酶带到工地。

Lim说:“在这项研究之前，我们必须想象Polα-引物酶如何在染色体末端完成端粒复制。现在，我们有了Polα-引物酶的高分辨率结构，它与一种叫做CST的附属蛋白复合体结合。我们发现CST在端粒与模板DNA链结合后，促进了Polα-引物酶的作用。在此过程中，CST为Polα-引物酶首先合成RNA，然后使用统一的架构平台合成DNA奠定了基础。”

研究人员还了解了Polα-引物酶是如何在染色体的其他地方启动DNA合成的。其他科学家也在DNA损伤修复和DNA复制停滞的部位发现了CST-Polα-引物酶复合体。Lim说:“因为Polα-引物酶在端粒和染色体其他地方的DNA复制中起着核心和非常重要的作用——它是唯一一种从头在DNA模板上制造引物用于DNA复制的酶——我们的CST-Polα-引物酶结构为Polα-引物酶如何在基因组DNA复制中发挥作用提供了新的认识。这是大自然进化来完成这个复杂过程的一种非常优雅的解决方案。”

“我们的发现揭示了CST在促进Polα-引物酶活动中发挥的前所未有的作用，”第一作者Qixiang He解释说，他是威斯康星大学麦迪逊分校生物物理学研究生项目的研究生。“观察染色体上其他地方参与DNA复制的辅助因子是否以与CST对端粒相同的方式建立Polα-引物酶将是很有趣的。”

研究人员使用冷冻电子显微镜单粒子分析先进成像技术建立了CST-Polα-引物酶的结构模型。在低温电子显微镜中，快速冷冻的样本被悬浮在一层薄薄的冰膜中，然后用透射电子显微镜成像，得到高分辨率的生物分子3D模型，比如在DNA复制中起作用的酶。Lim的团队使用低温-电磁单粒子分析首先确定了CST-Polα-引物酶的结构，然后专注于更详细地观察该复合体的运动部分。他们在威斯康星大学麦迪逊分校生物化学系的冷冻电子显微镜研究中心(CEMRC)和弗雷德里克国家癌症研究实验室NCI资助的国家冷冻电子显微镜设施收集数据。

“我们从生物化学分析的一个难题开始，但一旦我们对CST-Polα-引物酶共复合体成像，并看到它的低温电子显微镜结构，一切立即变得清楚。这让团队中的每个人都非常满意。除此之外，这些结构还为我们现在设计实验提供了思路，”实验室经理、这项新研究的合著者Xiuhua Lin说。

这些想法包括更详细地捕捉CST-Polα-引物酶的工作原理。研究人员还想绘制整个人类端粒复制过程，他们正在研究一旦端粒上的DNA被复制，CST-Polα/引物酶是如何终止其活性的。“你不能仅仅通过观察汽车的各个部件来研究它是如何运动的，你必须把各个部件组装起来，观察它们是如何协同工作的。但是生物分子机械通常有很多活动部件，因此很难进行研究，”Lim说。“这就是低温电子显微镜单粒子分析的力量和多功能性的来源。这种方法使我们能够建立一个高分辨率的原子模型，并对其如何移动提供了关键的见解，这反过来促进了我们对人类CST-Polα-引物酶如何工作的理解。”