DNA复制：解开局部秘密

每个细胞都需要分裂并产生更多的细胞。这是每个生物体的基本组成部分。第一步是复制自己的DNA传给子细胞。这被称为DNA复制，多年来一直是迈克尔·奥唐纳教授实验室的研究重点。这个位于美国纽约洛克菲勒大学的研究小组从发现蛋白质未知的功能到揭示新的机制，在该领域创造了许多第一。

在生命中的某个时刻，每个细胞都有繁殖的能力。要做到这一点，细胞需要有两个遗传信息的副本，一个给每个子细胞。这一过程的第一步被称为DNA复制，它涉及到使用现有的版本作为模板来复制细胞的DNA。这在人体内每天会发生数十亿次，而且是非常精确的。

在每个细胞中存在的DNA由两条股线组成，在众所周知的双螺旋中组装。作为起点，该结构需要透没和分离，然后每个单链可以用作制造另一股线的模板。结果，两个最终DNA拷贝每个都有一个“新的”股和一个“旧”股。

这是一种涉及多种蛋白质的高度复杂和受调的过程。最重要的是一种称为旋光酶的酶，该酶命令分离两种DNA链的费用。然后来到具有将小DNA构建块（称为核苷酸）添加到链中的能力的DNA聚合酶，产生新的双链DNA。好奇地，没有人知道为什么，但DNA复制需要两种不同的聚合酶，称为Pol epsilon和Pol Delta。

长期以来，美国纽约洛克菲勒大学的迈克尔·奥唐奈教授一直对这种机制很感兴趣。这一切都要追溯到上世纪90年代，当时奥唐奈教授和他的团队第一次展示了一种包裹在DNA周围的甜甜圈形状的蛋白质，这种蛋白质能够招募聚合酶，并确保它在复制过程中保持在合适的位置。他们将其命名为“滑动钳”，因为他们注意到它确实沿着DNA链滑动，同时将聚合酶固定在DNA上。

......重写率发挥拉链滑块的作用，以产生两个单独的股线，与拉链的两个单独的齿行相同。

这些都是令人兴奋的科学发现，但仍然有很多关于复制过程。特别感兴趣的研究人员的一个方面是两条股分离的程度。这个位置有许多不同的蛋白质，每个议程都在他们自己的议程之后，与复制DNA螺旋的共同目标一起工作。洛克菲勒大学团队热衷于解剖每个组件，并在更大的复制图片中了解其本地化功能。

复制点是活动的一个单元
奥唐奈教授早期的大部分工作都是在细菌上完成的——包括滑动钳的发现——但现在他的团队已经将注意力转移到真核生物上。真核生物是复杂的生物体，从酵母到人类，其DNA包在细胞核内。真核生物不同于DNA在细胞内自由移动的细菌(或原核生物)。

这一变化成功，团队是第一个净化和使用构成酵母中复制机械的各个组件。一个艰苦的漫长而复杂的过程，团队成功纯化了35个单独蛋白质的复合物，这些蛋白质弥补了所谓的替换物。

这些蛋白质在复制叉上发挥着至关重要的作用 - 其中双DNA链成为两个单独的单链。它很容易想象像拉链开口这样的复制过程，其中换乘器发挥着拉链滑块的作用，以产生两个单独的股线，其出现与来自拉链的两个单独的齿行相同的方式。

复制叉的主要特征之一是其不对称性。由于两条DNA股线位于尾部，但DNA只能在一个方向上合成，这在复制期间产生了一点交通堵塞。两条新的股线具有不同的定时，具有前导股线和出现在相反方向上的滞后股线。

知道这款复制叉几乎是不可能的体内(在活细胞中)，奥唐奈教授选择了下一个最好的方法:将所有成分加入试管，包括解旋酶和聚合酶，以及少量带有少量核苷酸的双链DNA。

他们发现一种叫做Pol的聚合酶不喜欢单独存在，只有在解旋酶存在的情况下才会附着在DNA上。相比之下，其他聚合酶(称为Pol α -引物酶)更倾向于与滑动钳位结合，但仅当钳位位于滞后链上时。

O'Donnell教授展示了这种与细菌系统形成鲜明对比，其使用相同的聚合酶来复制两条DNA。这提出了一个有趣的问题，为什么更复杂的动物需要不同的策略？

O 'Donnell教授认为，这是因为每条链所需要的聚合酶具有截然不同的特性:与前链连接的聚合酶(Pol epsilon)必须能够在不断开replisome的情况下继续进行，而后链的聚合酶(Pol delta)则适合于短时间的复制，然后很容易从模板断开。

错误的图纸
了解聚合酶如何选择他们的特定股线是令人印象深刻的，但O'Donnell教授和他的团队想进一步了解并理解所有普罗基组件如何合适。为了解决另一个谜团，球队开始通过碎片构建换乘器，并在显微镜下检查其结构。这项工作是与利林李的合作完成的，这是一位目前位于密歇根州Van Andel Institute的显微镜专家。对于O'Donnell的团队教授，是时候再次创造历史;这是第一次在采取行动中捕获的第一次。

每个细胞都需要繁殖能力。这在人体内每天会发生数十亿次，而且是非常精确的。

令他们非常惊讶的是，他们的形象并不像他们预期的那样。事实上，他们的研究结果与多年来错误的教科书中描绘的replisome应该是什么样子的图画相悖。他们证明聚合酶并不像大多数教科书上画的那样落在后面，事实上一个位于解旋酶的上方，另一个位于下方。在酵母中，这是在顶部的滞后链的Pol delta，在底部的领先链的Pol epsilon。

这不是唯一的差异。此外，螺旋酶以与现在的假设完全相反的方式坐在这样的方式。随着复制的开始，研究人员知道有两个螺旋酶以相反的方向移动以形成两个叉子。总是认为两个螺旋酶从中中心点沿相反的方向移动。它从显微镜图像结果不是如此。螺旋酶不面向向外，而不是向外，第一个障碍是互相交叉以开始移动。

奥唐纳教授提出，这实际上是质量控制机制的一部分。至关重要的是，解旋酶不能在环绕双链DNA的同时相互交叉并开始复制。这一过程只有在每个解旋酶包围单链DNA的相反链时才能开始。一旦发生这种情况，这两种解旋酶就可以自由地相互交叉，并开始移动，产生两个复制叉，而不是一个。

具有挑战性的先入为主的想法
如前所述，每个生物体都需要复制自己遗传物质的能力，复制是许多不同机制中的一种。奇怪的是，参与大多数过程的蛋白质在进化过程中似乎是一致的，从简单的生物体(如细菌)到更复杂的生物体(如人类)，蛋白质都是相似的。

然而，复制遵循不同的模式。涉及这种机制的蛋白质在细菌和更高的生物之间不相似。对于O'Donnell教授，这意味着在细菌和真核生物之间的进化分裂后，他们在酵母中发现的重新替换。然而，虽然大规模不同，但是两个系统保留了一些核心元件：包括两者都有螺旋酶，两者都具有聚合酶和滑动夹。

但相似之处仅此而已。一个主要的区别在于链的交换:在细菌中，位于解旋酶顶部的酶复制前导链，而在真核生物中，前导链位于解旋酶的底部。这来自解旋酶之间的根本区别:细菌类型更喜欢后链，而真核生物则选择前导链。

这种交换背后的原因仍然是一个谜。奥唐纳教授总结道:“这些新发现令人兴奋，未来有更多的问题需要解决，而不是到目前为止已经得到的答案。”