研究人员揭示了DNA解压缩机器MCM2-7复合体的工作原理对癌症治疗具有重要意义

香港大学(港大)生物科学学院翟元良博士带领的研究团队，以及香港科技大学(科大)和法国居里研究所的合作者，发现了一个新的人类MCM2-7复合物调节复制起始的机制，可作为一种新型有效的抗癌策略，具有选择性杀死癌细胞的潜力。该研究结果最近发表在Cell上。

人类的生命始于母亲子宫中的一个受精卵。这个卵通过细胞分裂繁殖并发育成我们的多细胞体。在每次细胞分裂过程中，我们的基因组DNA，即遗传信息的蓝图，都会被准确复制。每个细胞携带大约2米长的DNA，这些DNA被组织成23对染色体。在我们的一生中(约70年)，我们的身体将合成超过1光年长度的DNA，约1016米——光在一年内传播的距离。复制过程需要先将DNA双链体解链，然后分离成两条单链模板，供DNA聚合酶合成为互补链。这个过程的任何错误调节都可能导致可怕的后果，例如肿瘤发生和遗传性遗传病。

香港大学生物科学学院助理教授翟元良博士说：“解开DNA复制的秘密是理解生命之谜的关键，解决复制机器的结构对于了解其分子功能至关重要，眼见为实”

自1953年詹姆斯·沃森(JamesWatson)和弗朗西斯·克里克(FrancisCrick)确定DNA的结构以来，DNA双链体最初是如何熔化的，这一直是生物学家长期悬而未决的问题。在真核生物中，负责在复制过程中解压缩DNA双链体的酶最初是由我们的合作者康奈尔大学的Bik-KwoonTye教授于1983年从酿酒酵母中鉴定为微型染色体维持蛋白复合物(MCM)基因。六个MCM基因的产物,MCM2到MCM7(MCM2-7),形成一个六亚基环状复合体，作为解链机器的催化核心，即DNA复制解旋酶。

在细胞中，要启动DNA复制，MCM2-7复合体必须首先组装成头对头双六聚体(DH)，在每条染色体的数千个位置环绕双链DNA。在大量组装的MCM2-7DH中，最终只会选择其中的一个子集并将其转化为用于DNA解旋的强大的复制解旋酶。人们认为MCM2-7DH可以直接破坏DNA的稳定性，从而触发双链DNA的初始打开。然而，潜在的机制在很大程度上仍然未知。

为了解决这个问题，研究团队试图使用尖端技术冷冻电子显微镜(cryo-EM)来可视化MCM2-7DH的原子细节，这些细节比分辨率极限小数百万倍人类的眼睛。

2015年，该团队解决了第一个从酵母中分离出来的3.8Å的MCM2-7DH冷冻电镜结构，该结构被记录在《自然》杂志上。不幸的是，捕获的DNA不稳定，无法告知MCM2-7DH结合的DNA双链体的状态。

最近，研究人员成功地从培养的人类细胞中纯化出MCM2-7DH，并确定其结构位于2.59Å。这个高分辨率结构清楚地展示了MCM2-7复合物如何使DNA不稳定，从而在两个偶联的MCM2-7六聚体的连接处引起DNA双链体的初始打开。

该团队还发现，MCM2-7DH被加载到人类基因组数万个位点的DNA上，这些位点与活跃转录位点互斥。此外，当这种初始开放结构受到干扰时，MCM2-7DH无法再组装到DNA上，从而导致完全抑制DNA复制启动。

香港科技大学生命科学部助理教授党尚宇博士说：“原子分辨率的冷冻电镜结构能够直接观察到最初的DNA熔解，这对我们了解DNA复制的分子机制至关重要。”这项研究还证明了合作的重要性。需要具有互补专业知识的研究小组的努力来回答基本的生物学问题。”

几种治疗性癌症药物已将DNA复制作为目标。然而，可用的药物不分青红皂白地杀死所有分裂细胞，因为正常细胞和癌细胞都必须复制其DNA才能进行细胞增殖。因此，这些药物的特异性引起了对这些抗癌化学疗法的严重关注。一个更可取的选择是抑制DNA复制启动，使正常细胞停滞在G1期(第一生长期)或退出细胞周期进入G0状态(静止期);但癌细胞会发生凋亡。因此，抑制复制起始可作为一种新型有效的抗癌策略，具有选择性杀死癌细胞的潜力。

本研究的发现提供了有关人类启动前复合物的高分辨率结构和机制信息，未来可用于开发以MCM2-7复合物为靶点的无毒抗癌药物。