最近，研究人员利用冷冻电子显微镜技术揭示了酵母基因复制起始阶段的最后一部分未知的分子机制，补充了真核细胞的DNA复制起始阶段的分子结构和机理，该研究也有助于相关诊疗技术和药物的研发。冷冻电子显微镜是最近几年最有效的大分子结构生物学研究方法，可以让研究人员“看到”十几个纳米大小（大约是头发直径的万分之一）的蛋白复合体的结构细节，从而了解他们所承载的功能。因此，2017年的诺贝尔化学奖颁给了三名科学家，以表彰他们对冷冻电镜技术的开发做出的重要贡献。
　　脱氧核糖核酸（DNA）是细胞中通过不同碱基排列而承载着生物遗传信息的生物大分子，拥有著名的双螺旋结构。DNA的复制指的是生物细胞中的将一条双链DNA准确复制成两个相同的子DNA的过程。任一种生物都需要通过DNA复制保证细胞的增殖和生物信息的遗传。为了保证这个过程的准确，DNA复制的过程在时间和空间上都被紧紧地调控着，保证每次细胞分裂中所有的DNA都会复制且只复制一次。但是即便如此，也会有调控失败的时候，许多疾病的发生就和调控失败息息相关，比如癌症，就是癌细胞中的DNA复制不受调控，产生了不停扩增的癌细胞。
　　DNA复制的最初阶段又叫做DNA复制的初始期，这个过程也需要不同的蛋白调控和配合。搞清楚这些蛋白的结构和工作机理，对于了解DNA复制开始时间和空间的调控有着重要的意义，也可以开展更有针对性的药物研发。人类和酵母都属于真核生物，真核生物细胞的DNA复制起始阶段都是非常相似的，首先一个名字叫做ORC（起始复制体的英文缩写）六元蛋白复合体结合在DNA复制的起始位点上。在酵母细胞中，这个起始位置是有一定的碱基序列规律的，研究人员把他们命名为ARS（自主复制序列的英文缩写），酵母细胞中有大约四百多个这样的ARS，人类和其他复杂真核生物细胞中起始位置的规律还尚在研究之中。六元蛋白复合体中的五个（ORC1-5）围在DNA上，而ORC6结合在ORC3上，同时蛋白的结合使得DNA弯向ORC6的方向。在酵母细胞中，ORC会一直附在ARS上直到DNA复制初始期，这时一个叫做Cdc6的蛋白也会加入（第二步），和ORC以及DNA 一起形成复合体，并激活整个初始期的流程。第三步，又一个蛋白复合体会加入其中。这个复合体也是环状，由名为Mcm编号2-7的蛋白和Cdt1的蛋白组成，记做Mcm2-7-Cdt1。这样一个更大的复合体OCCM（ORC-Cdc6-Cdt1-Mcm2-7的缩写）在复制起始位点组装完成，这一组合又被称为复制前体。直到这一步，ORC复合体的酶活性才会被激活，消耗三磷酸腺苷，经过一系列结构变化后，除MCM2-7蛋白复合体之外的蛋白都会脱离，并且Mcm2-7复合体会进一步招募其他蛋白形成复制体，进入DNA复制的下一个阶段。
　　研究人员之前已经解析了酵母的ORC/DNA复合体和第三步之后OCCM复合体的结构，但是中间步骤的结构和机理还是未知的。在最近的研究论文中，来自美国密歇根州温安洛研究所（Van Andel Institute）的研究人员们进一步解开了中间ORC-Cdc6-DNA复合体的结构以及ORC-Cdc6形成OCCM的过程，完整地呈现了整个真核细胞DNA复制起始阶段的流程。首先，研究结果表明在第二步中，Cdc6结合在ORC1和ORC2之间的缺口，与五个ORC蛋白一起形成围着DNA的环形结构；同时Cdc6也参与了ORC1的酶活性结构的一部分，使得ORC1的催化功能在第三步之后得以激活。其次，Cdc6的结合还有一些长距离的变构作用，使得ORC6和DNA的结合部分更加稳定。最后，Cdc6的加入形成了可以结合Mcm2-7-Cdt1复合物的位点，也就是进行第三步的必要条件，因为Mcm3和7会首先识别并结合在Orc1-Cdc6-Orc2这个部分。之后，经过一系列构象变化，环状的Mcm2-7-Cdt1复合体其 他 的 部 分 也 会 贴 合 在ORC-Cdc6复合体上，并且之前朝向Orc6弯的DNA会被释放，通过在Mcm2和Mcm5之间的缝隙，进入Mcm-Cdt1复合体的环状结构中，像串糖葫芦一样把MCM环也串起来，如此最后的OCCM复合体便宣告完成。这一系列的从ORC-Cdc6到OCCM复合体的主要步骤，都通过在冷冻电镜技术展示在研究人员的面前，使得研究人员可以像电影一样，通过模拟再现整个过程。
　　说明：本文由在美国密歇根温安洛研究所（Van Andel Institute）的Huilin Li教授实验室和其合作者完成。Huilin Li教授一直致力于关于DNA复制调控相关的结构生物学研究，第一作者分别是Xiang Feng博士（ORC-Cdc6）和Zuanning Yuan博士（ORC-Cdc6到OCCM），研究结果分别发表在著名SCI期刊《自然通讯》和《美国国家科学院院报》上。

冯祥