美科院院士解析DNA复制过程调控机制
这是一个自然奇观：增殖细胞能够精确地复制自己的遗传物质，一次且只有一次，当分裂成两个子细胞时，从空间上分离所得的两套染色体。在我们的一生当中，仅有在我们的血液系统中，每分钟就有约5亿个细胞在骨髓中出生。在这些细胞的每一个细胞当中，染色体中的DNA必须准确地复制，然后在它们分裂时均匀地分配到子细胞中。
在人类中，这个过程是非常复杂的——多层次的，有检查站和内置冗余，亿万年的进化可减少事情出错的机会。然而，我们很清楚地知道，事情偶尔会出错，DNA复制和染色体分离的错误，是癌症和其他疾病的一个重要原因。
最近，由冷泉港实验室（CSHL）主任、美国科学院院士Bruce Stillman教授带领的一项研究，揭示了每一个新生细胞做出的一个重要决定：是继续增殖还是退出细胞周期。在癌症中，相当于一个“打开”开关被卡在那个位置。细胞就准备立即再次分裂，绕过检查站。
停止增殖的决定取决于一个叫做Cyclin E的蛋白质的延迟表达。Cyclin E及其合作伙伴——蛋白激酶CDK2，是细胞决定是否进行新一轮分裂或处于非增殖状态的关键调节因子。Stillman和博士后研究员Manzar Hossain博士，在《eLife》杂志上发表了实验结果，精确地展示了“在正常细胞中，Cyclin E的表达是如何通过两种蛋白质的相反作用而保持平衡的”。
这两种蛋白质被称为ORC1和CDC6。去年，Stillman的实验室表明，在有丝分裂过程中，当两个子细胞分开时，每个子细胞都继承与ORC1结合的染色体。因此，它被继承到新的细胞，并可以立即发挥作用，控制Cyclin E的水平。此前，该实验表明，当ORC1缺失时，Cyclin E的水平升高。
现在，Stillman和Hossain发现，ORC1可抑制Cyclin E编码基因（称为CCNE1）。这意味着，随着下一个细胞周期开始——称为G1期，Cyclin E最初并不表达，因为ORC1阻断了CCNE1基因。因此，这个新的细胞，在一段时间内可以整合某些信号，表明这是进入另一轮细胞分裂或决定不再分裂的良好时机和条件。
ORC1是称为起始识别复合物（ORC）的机器的主要蛋白成分，它决定了DNA复制过程在染色体的哪个部位开始。在1992年，Stillman及其同事首次在酵母中发现了ORC。单细胞的酵母没有人体细胞那么复杂，在它们的DNA中只有几百个复制起始位点，但人类细胞沿其遗传物质有成千上万个位置，在那里ORC装配了第一批注定要复制DNA的蛋白质，称为pre-RC复合物。
这项新的研究揭示了在新细胞生命早期ORC1的抗增殖作用，是一个反馈回路的一部分，其促增殖成员是ORC1相关蛋白Cdc6，另一个重要的DNA复制因子。Hossain解释说：“如果细胞整合来自环境的信号，促进新一轮的细胞分裂，一个途径参与其中，其中Cyclin D和CDK4形成的一个复合物可引发的一系列的影响，最终导致细胞注定进行分裂的可能性放大。”这种放大背后的机制包括Cyclin E-CDK2 和CDC6之间的相互作用。反过来，它们在细胞中的水平，是由转录因子E2F调节的，这本身是由一个称为RB的肿瘤抑制蛋白，和一种向组蛋白添加甲基的酶（SUV39H1）控制的。
Hossain和Stillman报道称，在新生细胞的早期，ORC1存在于cyclin E编码基因的启动子元件上，在那个位置它与Rb蛋白和SUV39H1相互作用。这种相互作用可导致Cyclin E编码基因的E2F依赖性转录抑制。在细胞分裂周期的G1期，当细胞接收到“它们应该增殖”的信号后，Cdc6可与cyclin E及蛋白激酶伙伴CDK2合作，抵消这种抑制，因此显著增加Cyclin E编码基因的表达。这种放大过程有助于让细胞进行新一轮的DNA复制、染色体分离。因此，一个反馈回路得以构建，在其中一个DNA复制蛋白Cdc6可拮抗另一个DNA复制蛋白ORC1的抑制作用。
许多癌细胞过度表达cyclin E和CDC6，Stillman实验室以前与其他科学家一起发现，cyclin E的过度表达可导致基因组的遗传损伤。Stillman说：“因此，ORC1和CDC6控制Cyclin E水平的相反作用，有助于基因组的稳定性。这是直接将DNA复制过程与细胞定向分裂联系起来的一种机制。”
驱动DNA复制的蛋白质——细胞生长和繁殖背后的动力，是地球上一些最复杂的机器。这一多步复制过程包括数以百计的光原子级运动部件，可快速地相互作用和变换。定位这些密集的分子机器，是医学和生物学领域最有前途和富有挑战性的前沿。2014年10月，该研究小组查明了复制过程开始的关键步骤，相关研究发表在《Genes and Development》杂志。相关阅读：华人学者解析DNA解旋机制的起源。
