Nature：DNA复制过程的关键奥秘

　　

生物通报道：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》。延伸阅读：细胞学突破：首次复制收缩环的结构。

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。

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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。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Replisome speed determines the efficiency of the Tus−Ter replication termination barrier
Abstract: In all domains of life, DNA synthesis occurs bidirectionally from replication origins. Despite variable rates of replication fork progression, fork convergence often occurs at specific sites. Escherichia coli sets a ‘replication fork trap’ that allows the first arriving fork to enter but not to leave the terminus region. The trap is set by oppositely oriented Tus-bound Ter sites that block forks on approach from only one direction. However, the efficiency of fork blockage by Tus–Ter does not exceed 50% in vivo despite its apparent ability to almost permanently arrest replication forks in vitro. Here we use data from single-molecule DNA replication assays and structural studies to show that both polarity and fork-arrest efficiency are determined by a competition between rates of Tus displacement and rearrangement of Tus–Ter interactions that leads to blockage of slower moving replisomes by two distinct mechanisms. To our knowledge this is the first example where intrinsic differences in rates of individual replisomes have different biological outcomes.