古菌DNA复制起始的关键调控：UBP蛋白与ucm元件的结构功能解析

本研究揭示了古菌DNA复制起始的新机制，发现古菌染色体组织蛋白UBP通过特异性结合复制起点中的ucm序列元件，与MCM解旋酶互作并促进其从复制起始位点的释放。该研究首次阐明了古菌中类核相关蛋白在复制起始中的调控作用，为理解生命三域DNA复制机制的演化提供了重要线索。

　　

DNA复制起始是生命活动的核心过程，在细菌和真核生物中已有较深入研究，但古菌领域的相关机制仍存在大量未知。作为生命三域之一，古菌的复制机器虽与真核生物同源，却呈现出独特的简化特征。例如古菌MCM解旋酶为同源六聚体，而真核生物为异源六聚体；古菌基因组虽像真核生物一样含多个复制起点，但各起点由不同的起始蛋白识别。这种"混合型"特征使古菌成为研究DNA复制机制演化的关键环节。

英国的研究团队在《Nature Communications》发表研究，以超嗜热古菌Sulfolobus islandicus为模型，发现其复制起点oriC1中一个此前未表征的ucm序列元件对复制活性至关重要。通过综合运用遗传学、生物化学和结构生物学方法，鉴定出ucm结合蛋白UBP，解析其晶体结构，并阐明其通过互作MCM解旋酶调控复制起始的新机制。

关键技术包括：CRISPR介导的基因编辑构建ucm突变株、全基因组标记频率分析(MFA-Seq)、染色质免疫沉淀测序(ChIP-Seq)、X射线晶体结构解析(分辨率达1.8?)、电泳迁移率变动分析(EMSA)以及酵母双杂交系统验证蛋白互作。

ucm是体内复制起始活性的必需元件
通过CRISPR-Cas系统构建oriC1区域的13个连续10bp替换突变体，发现破坏ORB2/ORB3或ucm序列均导致复制起始活性丧失。Western blot证实突变不影响起始蛋白Orc1-1的表达，表明ucm通过独立途径发挥作用。

UBP的鉴定与特性分析
DNA亲和纯化从Sulfolobus acidocaldarius中分离出ucm特异性结合蛋白UBP。EMSA显示UBP仅结合双链ucm序列，对M6/M7突变体结合力显著降低。DNase I足迹证实UBP保护区域精确覆盖ucm位点，与Orc1-1结合模式互不干扰。

UBP的结构特征
晶体结构显示游离UBP为"马鞍形"同源二聚体(2.74?)，通过C端β链交换形成二聚界面。与ucm-DNA复合物结构(1.8?)揭示UBP以单体形式结合DNA主要沟槽，两个β-发夹参与识别。特别的是，游离态中参与二聚化的C端β链在DNA结合时发生"回折"构象变化，形成分子内相互作用。

UBP与MCM解旋酶的互作
酵母双杂交和GST pull-down证实UBP与MCM的N端结构域(1-266aa)相互作用，包括A亚域(1-106aa)和B/C亚域(107-266aa)。EMSA显示MCM优先结合UBP-DNA复合物而非游离DNA，暗示三者可形成功能复合体。

UBP的体内功能
定量免疫印迹估算UBP细胞浓度约13μM，生长依赖表达模式与细菌NAP相似。ChIP-qPCR显示ucm突变使oriC1的UBP结合消失，但MCM结合量反而增加3.5倍，提示UBP促进MCM从起点的解离而非招募。全基因组ChIP-Seq鉴定329个UBP结合位点，富集于基因间区，共识序列与ucm完全匹配。过表达UBP导致细胞周期延长和转录组维持"指数期特征"。

体外重建UBP功能
体外加载实验显示，UBP单独可招募少量MCM且均为高盐稳定形式。与Orc1-1协同作用时，UBP不增加MCM加载量，但可能通过物理间隔两个MCM六聚体来缓解DNA过度缠绕。

该研究首次揭示古菌中存在类似细菌NAP的序列特异性调控蛋白UBP，其通过结合ucm元件和互作MCM解旋酶，在复制起始后期发挥"分子扳手"作用，促进MCM从起点的解离。UBP的广泛基因组结合和转录调控功能表明其是古菌染色体组织的重要参与者。从演化角度看，UBP可能代表古菌为协调简化版真核复制机器与多起点基因组而发展的独特解决方案，填补了生命三域复制机制比较研究的关键空白。研究提出的"UBP介导MCM解旋酶释放"模型，为理解没有MCM10同源蛋白的古菌如何解决复制起始中的拓扑学问题提供了新视角。