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。

目前，科學家們已經查明了復制過程開始的關鍵步驟，其中“解壓縮”和分裂DNA雙螺旋、以使兩部分可作為DNA復制模板的酶，研究人員解開了其令人驚訝的結構細節。

本研究將電子顯微鏡、精心提煉的蛋白質和一種化學冷凍法相結合，分離DNA復制開始的特定時刻。這項研究發表在2014年10月15日的《Genes and Development》雜志，作者分別來自于美國能源部布魯克黑文國家實驗室、石溪大學、冷泉港實驗室和倫敦帝國學院。

本研究共同作者、布魯克黑文實驗室終身研究員和石溪大學生物學家李慧林（Huilin Li）稱：“DNA解旋機制的起源是非常復雜和令人驚訝的。能在分子水平上看到這個解旋酶準備包圍并解開DNA，可幫助我們了解生命的最基本過程，以及這個過程可能會出現什么錯誤。復制DNA出錯存在于某些癌癥中，這項工作將有助于開發新的治療方法，停止或打破危險失控的機器。”

本研究選取了Li及其同事以前中斷的兩項研究。他們首先確定了“起始識別復合物”（Origin Recognition Complex，ORC）——一種蛋白質，可識別和結合特定DNA位點，啟動整個復制過程。第二項研究揭示了ORC如何招募、裂開和安裝一個至關重要的環形蛋白質結構（Mcm2-7），其位于解旋酶的核心。

但是，DNA復制是一個雙向的過程，兩個解旋酶朝著相反的方向進行。那么，關鍵問題是，第二個解旋酶核心如何以第一個解旋酶相反的方向，招募并加載到DNA上？

本文第一作者、布魯克黑文實驗室生物學家Jingchuan Sun說：“讓我們感到驚訝的是，我們發現了一個中間結構，具有結合兩個環的ORC。這一發現表明，一個單一的ORC，而不是通常認為的雙ORC系統，負載有兩個解旋酶環。”

接下來，研究人員也確定了ORC離開系統后所留最終雙環結構的分子結構，從而提供了一些關鍵的生物學見解。

本文共同作者、倫敦帝國學院的Christian Speck稱：“現在，我們有雙環結構如何穩定逗留、直到細胞進入DNA合成期的線索。這項研究揭示了關鍵的調控規則，可解釋解旋酶活性最初是如何被抑制，然后如何被再活化以開始其裂開DNA工作。”

精確的方法，密切的合作

檢測這些轉瞬即逝的分子結構，需要掌握生物學、化學和電子顯微鏡技術。

本文共同作者、冷泉港實驗室的Bruce Stillman稱：“這種三路合作，利用每個實驗室的長期合作和專業知識。帝國學院和冷泉港負責具有挑戰性的材料制備和功能特性，而布魯克黑文國家實驗室和石溪大學帶領了復雜的分子成像和三維圖像重建。”

研究人員使用來自面包酵母（一種模式生物，用于動物更復雜的系統）的蛋白質。科學家分離了參與復制的蛋白質機制，并消除了可能使圖像復雜化的結構。

一旦分離的蛋白質與DNA混合，科學家們每隔2、7和30分鐘就注入化學物質，以“凍結”結合和補充過程。

然后，他們使用布魯克黑文國家實驗室的一種電子顯微鏡，在一種分子延時的每個目標時刻，確定了其確切結構。這種技術不是使用傳統的顯微鏡的光，而是使用電子聚焦光束來照亮樣品，具有原子級分辨率。該儀器可產生大量的二維電子束圖像，然后用計算機重建成三維結構。

Li說：“這種技術非常理想，因為我們成像相對大的蛋白質。一個典型的蛋白質含有三百種氨基酸，但是這些DNA復制機器包括成千上萬的氨基酸。整個結構大約20納米，而普通蛋白質大約4納米。”

在最基本的層面上解開這個DNA過程，是該研究團隊的工作重點，也具有深遠的意義。Li說：“這些結構知識可以幫助其他研究人員設計小分子，在特定時刻抑制DNA復制，從而帶來新的疾病預防和治療方法。”