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Nature:DNA復制過程的關鍵奧秘

日期:2015-09-11 09:14:22

最近,沙特國王科技大學(King Abdullah University of Science and TechnologyKAUST)的研究人員,揭開了DNA復制過程中的一個關鍵奧秘。相關研究結果發表在最近的國際頂級學術刊物《Nature》。延伸閱讀:細胞學突破:首次復制收縮環的結構。

 

在一個細菌分裂之前,它必須通過一個稱為DNA復制的過程,復制其遺傳物質——類似成束橡皮筋的循環DNA分子。在這個過程中,兩條DNA構成了松散的環狀DNA分子,并分開成為生成新鏈的模板。

 

為了確保這個過程被很好的調節,細菌還設置了許多“路障”,或DNA上的終止位點,以確保復制叉的永久停止,復制叉是DNA分子分裂時鏈之間形成的Y型結構。

 

這項研究,是由KAUST博士生Mohamed ElshenawyKAUST生物和環境科學與工程部門的副教授Samir Hamdan,以及來自澳大利亞臥龍崗大學的同事合作完成的,這項研究闡釋了“為什么在體外終止位點能夠永久地停止復制叉,而在活細菌中,超過50%的復制叉(靠近終止位點),會持續不停的合成”。

 

一個終止位點包含23個堿基對的終止序列(Ter),它們與Tus蛋白結合。Tus-Ter復合體的不尋常之處在于,它能夠通過讓復制叉從一個(而不是另一個)方向前進,解開一條攀登繩上的繩結。這個極性設置了一個“陷阱”,允許第一個達到的復制叉進入,直到另一個復制叉抵達,才離開終點區域。

 

Hamdan和他的研究團隊認為,來自運動(或動力學)的能量,可能作用于這些終止位點。他們用單分子成像技術記錄這些分子過程,以高時空的分辨率,聚焦于大腸桿菌復制叉的命運,因為它們接近于來自任一方向的一個終止位點。

 

他們的研究結果表明,極性和復制叉捕獲的效率,是由Tus取代率和Tus-Ter相互作用之間的一種競爭所決定的。Tus-Ter相互作用,可堵塞兩種不同機制引起的較慢的移動復制體。這意味著更快移動的復制叉可敲擊Tus-er重排并取代Tus,而較慢移動的復制叉則被有效地堵塞。

 

這解決了困擾我們對DNA復制理解的一個長期存在的奧秘,對所有領域生命的理解也有重要影響。Hamdan強調說:“對于酶學領域來說,這些研究結果是引人注目的。”他指出,在催化過程中個別酶會發生波動,這個波動頻率在可能相同的酶分子之間是有差異的,這都是單分子成像對生物學的新貢獻。

 

Hamdan解釋說:“這項研究首次證明,酶分子的這些特性實際上會影響生物學。”

 

分子馬達和雙鏈DNA結合蛋白之間的交流,是DNA復制、修復、重組和轉錄中的一個共同特點,也存在于這些過程之間發生沖突的情況下。Hamdan說,對不同分子馬達的不同反應的演化,可能調節著這些過程之間的交流。

 


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