美科院院士解析DNA復制過程調控機制

　　這是一個自然奇觀：增殖細胞能夠精確地復制自己的遺傳物質，一次且只有一次，當分裂成兩個子細胞時，從空間上分離所得的兩套染色體。在我們的一生當中，僅有在我們的血液系統中，每分鐘就有約5億個細胞在骨髓中出生。在這些細胞的每一個細胞當中，染色體中的DNA必須準確地復制，然后在它們分裂時均勻地分配到子細胞中。

　　在人類中，這個過程是非常復雜的——多層次的，有檢查站和內置冗余，億萬年的進化可減少事情出錯的機會。然而，我們很清楚地知道，事情偶爾會出錯，DNA復制和染色體分離的錯誤，是癌癥和其他疾病的一個重要原因。

　　最近，由冷泉港實驗室（CSHL）主任、美國科學院院士Bruce Stillman教授帶領的一項研究，揭示了每一個新生細胞做出的一個重要決定：是繼續增殖還是退出細胞周期。在癌癥中，相當于一個“打開”開關被卡在那個位置。細胞就準備立即再次分裂，繞過檢查站。

　　停止增殖的決定取決于一個叫做Cyclin E的蛋白質的延遲表達。Cyclin E及其合作伙伴——蛋白激酶CDK2，是細胞決定是否進行新一輪分裂或處于非增殖狀態的關鍵調節因子。Stillman和博士后研究員Manzar Hossain博士，在《eLife》雜志上發表了實驗結果，精確地展示了“在正常細胞中，Cyclin E的表達是如何通過兩種蛋白質的相反作用而保持平衡的”。

　　這兩種蛋白質被稱為ORC1和CDC6。去年，Stillman的實驗室表明，在有絲分裂過程中，當兩個子細胞分開時，每個子細胞都繼承與ORC1結合的染色體。因此，它被繼承到新的細胞，并可以立即發揮作用，控制Cyclin E的水平。此前，該實驗表明，當ORC1缺失時，Cyclin E的水平升高。

　　現在，Stillman和Hossain發現，ORC1可抑制Cyclin E編碼基因（稱為CCNE1）。這意味著，隨著下一個細胞周期開始——稱為G1期，Cyclin E最初并不表達，因為ORC1阻斷了CCNE1基因。因此，這個新的細胞，在一段時間內可以整合某些信號，表明這是進入另一輪細胞分裂或決定不再分裂的良好時機和條件。

　　ORC1是稱為起始識別復合物（ORC）的機器的主要蛋白成分，它決定了DNA復制過程在染色體的哪個部位開始。在1992年，Stillman及其同事首次在酵母中發現了ORC。單細胞的酵母沒有人體細胞那么復雜，在它們的DNA中只有幾百個復制起始位點，但人類細胞沿其遺傳物質有成千上萬個位置，在那里ORC裝配了第一批注定要復制DNA的蛋白質，稱為pre-RC復合物。

　　這項新的研究揭示了在新細胞生命早期ORC1的抗增殖作用，是一個反饋回路的一部分，其促增殖成員是ORC1相關蛋白Cdc6，另一個重要的DNA復制因子。Hossain解釋說：“如果細胞整合來自環境的信號，促進新一輪的細胞分裂，一個途徑參與其中，其中Cyclin D和CDK4形成的一個復合物可引發的一系列的影響，最終導致細胞注定進行分裂的可能性放大。”這種放大背后的機制包括Cyclin E-CDK2 和CDC6之間的相互作用。反過來，它們在細胞中的水平，是由轉錄因子E2F調節的，這本身是由一個稱為RB的腫瘤抑制蛋白，和一種向組蛋白添加甲基的酶（SUV39H1）控制的。

　　Hossain和Stillman報道稱，在新生細胞的早期，ORC1存在于cyclin E編碼基因的啟動子元件上，在那個位置它與Rb蛋白和SUV39H1相互作用。這種相互作用可導致Cyclin E編碼基因的E2F依賴性轉錄抑制。在細胞分裂周期的G1期，當細胞接收到“它們應該增殖”的信號后，Cdc6可與cyclin E及蛋白激酶伙伴CDK2合作，抵消這種抑制，因此顯著增加Cyclin E編碼基因的表達。這種放大過程有助于讓細胞進行新一輪的DNA復制、染色體分離。因此，一個反饋回路得以構建，在其中一個DNA復制蛋白Cdc6可拮抗另一個DNA復制蛋白ORC1的抑制作用。

　　許多癌細胞過度表達cyclin E和CDC6，Stillman實驗室以前與其他科學家一起發現，cyclin E的過度表達可導致基因組的遺傳損傷。Stillman說：“因此，ORC1和CDC6控制Cyclin E水平的相反作用，有助于基因組的穩定性。這是直接將DNA復制過程與細胞定向分裂聯系起來的一種機制。”

　　驅動DNA復制的蛋白質——細胞生長和繁殖背后的動力，是地球上一些最復雜的機器。這一多步復制過程包括數以百計的光原子級運動部件，可快速地相互作用和變換。定位這些密集的分子機器，是醫學和生物學領域最有前途和富有挑戰性的前沿。2014年10月，該研究小組查明了復制過程開始的關鍵步驟，相關研究發表在《Genes and Development》雜志。相關閱讀：華人學者解析DNA解旋機制的起源。