研究表明细胞如何防止有害的额外DNA拷贝

根据威尔康奈尔医学研究人员的一项新研究，为复制准备DNA的蛋白质还可以防止复制过程失控。这项工作于1月5日发表在《分子细胞》(Molecular Cell)杂志上，解开了一个长期困扰生物学家的谜团。

人类和所有其他高等生物的细胞使用复杂的检查点和“许可”蛋白质系统来确保它们在分裂前精确地复制一次基因组。在准备细胞分裂时，许可蛋白附着在DNA中的特定区域，将它们指定为复制起源。当细胞周期的DNA合成阶段开始时，复制仅在那些许可的位点开始，并且根据目前的模型，只启动或“放电”一次。

不过，该模型缺少一个关键点。“允许这种许可发生的相同因素只有在这些复制起源被触发后才会退化，”资深作者，威尔康奈尔医学院细胞和发育生物学约瑟夫·辛西教授Tobias Meyer博士说。“原则上，细胞可以将这些许可机器加载到已经复制的DNA上，因此，你得到的不是两个拷贝，而是该DNA片段的三到四个拷贝，预计这些细胞将失去基因组完整性并死亡或癌变。

弄清楚细胞如何避免这种命运一直很棘手。“我们需要在细胞周期DNA合成阶段的最初几分钟内研究事件，所以这是一个非常短暂的时期，”第一作者Nalin Ratnayeke说，他是一名研究生，曾在斯坦福大学和威尔康奈尔医学院的Meyer博士实验室工作。

该实验室于 2020 年搬到威尔康奈尔医学院。为了解决这个困难的实验问题，Ratnayeke使用计算机辅助显微镜同时监测数千个生长细胞，捕获行为中的复制细胞并分析其许可和复制因子的活动。

这项工作表明，一种众所周知的许可因子CDT1不仅许可一段DNA成为复制起源，而且还充当DNA复制的刹车，阻止一种称为CMG解旋酶的基本复制酶发挥作用。要开始合成DNA，细胞的酶必须首先分解CDT1。

“以前提出的协调从细胞周期的许可阶段到细胞周期的放电阶段的过渡的机制取决于抑制许可因素，”Ratnayeke说，并补充说，“我们在这里确定的机制实际上是相反的......许可因子CDT1本身正在阻止DNA合成的进展。

为了证实他们的结果，科学家们与英国剑桥医学研究委员会的同事合作，他们发现抑制机制可以在一个简化的系统中概括，该系统在试管中用纯化的组分重现整个DNA合成过程。

“这使我们能够重建DNA合成的所有成分，并证明CMG解旋酶直接受到CDT1的抑制，”Meyer博士说，他也是生物化学教授，也是威尔康奈尔医学桑德拉和爱德华迈耶癌症中心的成员。

由于复制许可的失败可能会细胞或使它们癌变，因此研究结果提供了对细胞健康和疾病的新理解。“未来从机制上确定Cdt1抑制正在发生的事情的工作将更深入地了解CMG解旋酶如何发挥作用的生物物理学，并将查明这种复合物的特定区域，这些区域可以使用药物靶向，”Ratnayeke说。

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