如果分裂細(xì)胞中的DNA被復(fù)制到低于近乎完美精度的任何東西，那么生命將是不可能的。每當(dāng)有核細(xì)胞承諾成為兩個(gè)細(xì)胞時(shí)，其基因組的每個(gè)“字母”都必須復(fù)制一次且僅復(fù)制一次。在人類中，任務(wù)令人難以置信。如果解開，嵌入我們每個(gè)細(xì)胞的雙螺旋長度為6英尺。僅在我們的骨髓中，每分鐘就會(huì)產(chǎn)生5億個(gè)新細(xì)胞。這些細(xì)胞單獨(dú)含有足夠的DNA以包裹地球的赤道25次。在令人生畏的容忍度中，每個(gè)新細(xì)胞必須具有與產(chǎn)生它的細(xì)胞相同的基因組。當(dāng)過程出錯(cuò)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致癌癥和其他疾病。

弄清楚復(fù)制在單個(gè)分子和原子水平上的準(zhǔn)確性是現(xiàn)代科學(xué)的重大成就之一。然而，調(diào)查人員的旅程尚未完成。這個(gè)難題的一個(gè)主要未解決的部分是理解復(fù)制基因組的整個(gè)過程是如何開始的。在新的研究中，洞察復(fù)制的早期階段雙螺旋的兩個(gè)分支是如何分離的。

倫敦，密歇根州大急流城和紐約冷泉港實(shí)驗(yàn)室(CSHL)的研究人員長期合作報(bào)告了雙頭解旋酶的原子級(jí)結(jié)構(gòu)，頭部與頭部加載，DNA雙螺旋在圓形通道中可見雖然兩個(gè)解旋。該配置是預(yù)復(fù)制復(fù)合體(pre-RC)的一部分，之前從未在此配置中成功成像。

這一壯舉是通過Van Andel研究所的新型電子顯微鏡(cryo-EM)設(shè)施實(shí)現(xiàn)的，該研究所是主要研究人員之一李慧琳博士的家。李博士與CSHL的Bruce Stillman博士和倫敦帝國理工學(xué)院基因組生物化學(xué)和分子生物學(xué)教授Christian Speck博士合作了十幾年。1992年，斯蒂爾曼及其同事發(fā)現(xiàn)了一種稱為原始復(fù)制復(fù)合物(ORC)的蛋白質(zhì)復(fù)合物，它在雙螺旋的許多位置組裝了稱為“起始位點(diǎn)”的蛋白質(zhì)復(fù)合物，復(fù)制起始于此。Speck博士的研究表明，ORC與其他蛋白質(zhì)Cdc6，Cdt1和Mcm2-7的六聚體結(jié)合，開始復(fù)制DNA的過程。

過去的大量努力揭示了ORC如何組裝并找到起始站點(diǎn)。在復(fù)雜的人類基因組中，有許多這樣的網(wǎng)站由域組織;更簡單的生活形式，如面包酵母，更少。這項(xiàng)新研究涉及在初始識(shí)別起始位點(diǎn)以及如何解開DNA螺旋后發(fā)生的情況。

正如在新的低溫EM“圖片”中生動(dòng)地展示的那樣，圍繞雙螺旋的雙六面Mcm2-7解旋酶看起來像對稱的昆蟲，或者可能是雙胞胎太空船頭對頭?？?。新結(jié)構(gòu)回答的問題是雙螺旋如何位于它們形成的通道內(nèi)，以及DNA如何與周圍結(jié)構(gòu)相互作用?；谶@些新知識(shí)，開始揭示兩條DNA鏈如何分離，一直是個(gè)謎。

“新圖像顯示，一旦加載到雙六聚體或DH中，正如我們稱之為頭對頭解旋酶 - 雙螺旋通過中心通道采取鋸齒形路徑，這有點(diǎn)扭曲，”作者說明。“這兩個(gè)桶形六角形裝置的平衡方式使得它們在激活時(shí)可以解開雙螺旋。”

其中一個(gè)后果尤為重要：由雙環(huán)形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的扭曲產(chǎn)生了一種扭曲的應(yīng)變：它們具有固有的張力，使得它們像螺旋彈簧。以前未見過的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)揭示了雙六聚體的各種蛋白質(zhì)亞基如何通過微小的環(huán)狀結(jié)構(gòu)鎖定在雙螺旋上。

Li，Speck，Stillman和他們的同事提出的情況是，雙六聚體在張力下加載，導(dǎo)致DNA的兩條鏈中的一條穿過它們，真正地聚集在環(huán)的一側(cè)的封閉“門”上，而另一條反對另一側(cè)的另一個(gè)封閉的“門”。該小組提出，當(dāng)復(fù)制過程激活時(shí)(通過蛋白激酶和其他輔助分子的干預(yù))，兩個(gè)門中的一個(gè)彈簧打開。

通過解旋酶中的敞開的門 - 但僅在一側(cè) - 雙螺旋的一股被擠出或“擠出”。該團(tuán)隊(duì)提出它在DNA復(fù)制過程中成為所謂的“滯后鏈”。保留在螺旋通道中心的另一條鏈成為復(fù)制中的“前導(dǎo)鏈”。裝在兩個(gè)六聚體上的分子馬達(dá)為它們的分離提供能量。一種活化的解旋酶通過另一種，因?yàn)槊織l鏈的復(fù)制在相反的方向上進(jìn)行，如生物學(xué)家?guī)资昵巴茢嗟哪菢印?/p>

通過稱為低溫電子顯微鏡的技術(shù)的進(jìn)步使得最新的結(jié)構(gòu)成為可能，其中電子束通過冷凍的單一蛋白質(zhì)-DNA顆粒以獲得近原子級(jí)的三維圖像。該方法的主要開發(fā)者現(xiàn)已廣泛使用，獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。