高宁研究组与香港科技大学戴碧瓘研究组共同在《自然》发文揭示真核生物DNA复制解旋酶高分辨三维结构

　　2015年7月29日，清华大学高宁研究组和香港科技大学戴碧瓘教授研究组共同在《自然》(Nature)杂志上以长文形式在线发表了题为《真核生物DNA复制解旋酶MCM复合物的3.8埃分辨率结构》(Structure of the Eukaryotic Minichromosome Maintenance Complex at 3.8 埃)的研究论文，首次报道了真核生物DNA复制起始与延伸过程中DNA解旋酶核心组分MCM2-7复合物的3.8埃高分辨率冷冻电镜结构，并以此为基础对DNA复制起始时MCM2-7复合物的作用机理进行了分析。该论文是清华大学国家蛋白质基础设施(北京)建立以来，完全利用此平台进行数据收集及处理而发表的首篇世界顶级杂志科研论文。《自然》杂志同期刊发了“News & Views”评论文章重点推荐介绍了这项工作。

　　遗传信息载体DNA在细胞内的复制受到严格的调控。双链DNA的复制包括解旋和复制两个过程，复制起始的一个关键步骤是DNA解旋酶的结合和激活。MCM2-7复合物负责在DNA复制起始和延伸阶段进行双链DNA的解螺旋。DNA复制异常会导致基因组的不稳定，与多种人类恶性肿瘤的发生、发展具有密切的关系;作为DNA复制解旋酶的核心组分，MCM2-7本身的基因突变或异常表达也与很多人类疾病密切相关。例如，MCM4基因的突变可以导致小鼠乳腺癌的发生。

　　由于MCM2-7复合物功能机制的重要性，在过去三十年里，相关领域研究人员对其进行了大量的功能和结构方面的研究。由于其结构的复杂性，针对MCM2-7复合物的高分辨三维结构解析一直停滞不前，已成为其功能研究的重要限制因素。2013年下半年开始，高宁研究组和香港科技大学戴碧瓘研究组合作，利用清华大学冷冻电镜平台对MCM2-7双六聚体复合物以及与相关功能因子结合的复合物进行结构解析。初期主要是利用负染电镜和冷冻电镜的方法对相关复合物进行分析。2014年下半年，Titan Krios电镜更换新一代的K2相机后，在之前条件优化的基础上，该课题获得了关键性突破，进而解析来自酵母菌分裂间期G1期MCM2-7双六聚体复合物近原子分辨率的三维结构。结构分析表明，两个MCM2-7单六聚体呈二次对称，并相对于中心轴线有一定角度的倾斜和扭转，在中心形成一个扭曲的中央通道。四层结构域组成的环状结构限制了中央通道的大小，使之具有了完美匹配双螺旋DNA的直径(图)。这些结构分析表明MCM2-7复合物直接参与了复制起始时的DNA最初解链过程。这一高分辨率的结构为真核生物特异的解旋酶家族蛋白复合物的组装、激活和调控的研究提供了一个全新视点，为指导此复合物的功能研究奠定了良好的基础。

　　清华大学生命学院2015届博士李宁宁和香港科技大学的翟元梁博士为该论文的共同第一作者。高宁研究员、香港科技大学的戴碧瓘教授及翟元梁博士为共同通讯作者。生命学院的杨茂君教授参与了原子模型的搭建工作，冷冻电镜平台的雷建林博士、2015届博士张一小和2012级博士生李婉秋参与了冷冻电镜数据收集工作。论文还得到了生命学院王佳伟研究员和李雪明研究员在数据处理及分析等方面的建议和协助。该研究获得了科技部、国家自然科学基金委、香港研究资助局以及香港科技大学的经费支持。

　　高宁研究员2008年底加入清华大学生命科学学院，2009-2010期间主要参与生命学院冷冻电镜实验平台的搭建，一直致力于利用冷冻电镜三维重构技术研究蛋白质的生物合成、降解和核糖体的组装成熟、蛋白翻译的调控等重要生物过程，取得了一系列重要研究成果。先后在《Nature Structural & Molecular Biology》(2014)，《PloS Biology》(2014)，《Protein & Cell》(2014),《Nucleic Acids Research》(2013, 2013, 2014)，《J Biol Chem》(2013)及《PNAS》(2011)等杂志发表多篇通讯作者研究论文，阐述了蛋白生物合成和降解中的多种调控机制。由于高宁研究员近年来的系统性研究成果，先后获得了多项人才基金(自然基金委优秀青年基金2014、北京市青年英才计划2013)，以及自然基金委面上项目和科技部重大研究计划的支持。

　　MCM2-7双六聚体复合物高分辨率冷冻电镜结构及中央孔道结构示意图。梯状为双链DNA。

　　文章链接：

　　http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14685.html

　　评论文章：

　　http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14643.html