中心法則是遺傳信息從DNA到DNA的復制、繼而從DNA傳遞給RNA的轉錄、再從RNA傳遞給蛋白質的翻譯過程的轉移法則，是生物大分子DNA、RNA和蛋白質參與細胞生命活動所遵循的重要規律。其中DNA復制就是這一法則的*步，也是zui重要的一步，雖然多年來科學家們解析了這一步驟的多個方面，但是關于復制起始復合體（ORC）的環狀蛋白質依然是個謎。
來自美國文安德爾研究所等處的研究人員zui近詳細描述了DNA復制中的這個關鍵*步，相關研究成果公布在2月13日的Nature Structural & Molecular Biology雜志上，文章的通訊作者之一，文安德爾研究所的表觀遺傳學中心教授李慧林（Huilin Li，音譯）博士說，“這是關于一個‘*’環的故事。生物學家多年前就已經知道，ORC和解旋酶是DNA復制起始和復制進程中*的環狀結構，但到目前為止，我們從未了解ORC環如何將解旋酶環裝載到DNA上的。”
多細胞生物在細胞分裂之時進行生長，在細胞分裂之前，它必須為新細胞生成組成元件副本。由于DNA信息被密封在DNA雙鏈內部，訪問和復制信息之前一種叫做復制體（replisome）的專門機器必須要解開DNA鏈。MCM馬達是復制體的關鍵組成部分，它負責解開配對的DNA鏈。而MCM是一個閉合的蛋白質環，在它環繞DNA長鏈之前必須首先要打開它，ORC就負責解決這一問題。它可以打開MCM環，讓其能夠環繞并解開DNA。
這項研究揭示了ORC的特殊α-螺旋能進入DNA的一個凹槽中，啟動DNA復制的一系列級聯微管相互作用。此外研究還發現ORC在Cdc6和Cdt1的幫助下，通過翼狀螺旋結構域的配對相互作用將解旋酶核心部分加載到DNA上，這樣就會形成14個組合蛋白結構，完成*個解旋酶環的加載，然后準備加載下一個環。
這整個過程代表了一個非常復雜且精細的系統開始運作，在人體許多細胞中DNA上的數萬個位點上不間斷工作，它們都是從ORC開始的。
此前的研究表明，ORC是一個六亞基蛋白質復合體，其中有五個亞基形成了一個微微張開的環，第六個亞基Orc6形成了一條尾巴。研究顯示，亞基組成的復合物形成月牙狀，包裹住DNA雙鏈。然后ORC會召集第七種蛋白，也就是Cdc6，繞住DNA。這個環與第二個環相連，微染色體維持蛋白（Cdt1-bound Mcm2-7 hexamer）圍繞在DNA周圍，完成*個Mcm2-7六聚體的加載。
“這就像是把一條珍珠串在一根繩子上，不過DNA鏈更長，因此珍珠不會到達末端。相反它們會沿著鏈以某種方式打開，之后再次關閉，”文章的另外一位通訊作者，倫敦帝國理工學院教授Christian Speck說。
這項研究是通過冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）完成，李教授表示，“我們希望通過描繪這一過程，能zui終將這種知識轉化為DNA復制相關的治療方法，用于包括癌癥和罕見病在內的多種疾病的治療”。
復制起始復合體（ORC）是DNA復制的關鍵元件，這項研究主要是采用了什么方法剖析了ORC環狀結構的一系列組裝過程呢？
李教授：我們采用了cryo-EM方法分析了釀酒酵母OCCM（ORC-Cdc6-Cdt1-Mcm2-7）復合物的結構，這個復合物是由ORC-Cdc6通過Cdt1結合的Mcm2-7六聚體捕獲結合而形成的。我們利用體外反應方法獲得了復合物：在帶有復制起始質粒DNA的試管中將純化組分如ORC，Cdc6，Cdt1和解旋核心復合物Mcm2-7混合在一起。DNA會連接到磁珠上，然后利用磁性將反應產物——OCCM復合物與反應物分離。
這是一項合作成果，我們文安德爾研究所的實驗室完成了冷凍電子顯微的結構測定，而樣本是由倫敦帝國學院的Christian Speck博士實驗室準備的。參與這項工作的還包括冷泉港實驗室的Bruce Stillman博士實驗室，他們完成了一些生物化學研究，另外交聯質譜的工作則由愛丁堡大學的Juri Rappsilber博士實驗室完成。
研究發現了ORC、Cdc6等組成的14個蛋白組合體結構，這一結構的特點是什么？相比于之前發現的結構具有哪些相同之處和不同之處呢？
李教授：這項工作zui重要的發現是揭示了Mcm2-7如何通過ORC-Cdc6加載到原始DNA上的。整個裝載過程是由裝載機（ORC-Cdc6）和Mcm2-7中都發現的所謂翼型螺旋結構域（WHD）介導的。ORC-Cdc6中的幾個WHD結構在裝載過程中是與Mcm2-7的WHD相互鎖定的。
我們還以近原子的分辨率獲得了與起始DNA結合的ORC-Cdc6的結構，這是OCCM結構的一部分。一直以來科學家們都知道酵母ORC具有識別復制起點某些特殊序列的能力，但ORC如何做到這一點依然是個謎。我們的結構揭示出ORC的一個亞基Orc4具有特殊的插入α-螺旋，這種螺旋可以滑入DNA雙鏈的主槽中，從而令ORC原始序列具有識別能力。在ORC-Cdc6召集Mcm2-7的時候，它處于激活狀態。另外一個實驗室曾于Nature發表了fly ORC（2015）的晶體結構，那個結構處于非激活狀態，因為fly ORC既不能與結合DNA兼容，也不能與負載因子Cdc6兼容。
zui近，冷泉港實驗室的Leemor Joshua-Tor實驗室在eLife（2017）與我們合作發布了人類的ORC結構。我們的酵母ORC結構與人類ORC結構非常相似。
此外，我們的這項研究還揭開了Cdt1的神秘面紗，Cdt1是一種負載因子，但它在加載過程中的作用一直是一個謎。我們驚訝的發現Cdt1能形成了一個三結構域結構，并且支撐三個Mcm亞基：Mcm2，Mcm4和Mcm6。有趣的是，其中一個Cdt1結構域向上，能清除與ORC-Cdc6相互作用的Mcm2-7的末端。因此我們認為Cdt1能幫助準備Mcm2-7，其準備好與ORC-Cdc6的加載。
此外，能給我們介紹一下您的研究組嗎？比如主要的研究方向，近期的研究成果等等。
李教授：多年來，我都在紐約州立大學石溪分校，以及布魯克海文國家實驗室工作，去年8月我將我的實驗室搬到了文安德爾研究所。我的研究重要的一環就是低溫儀器，文安德爾研究所是一家私人生物醫學研究機構，zui近剛建立了低溫冷凍電鏡設施。
我們實驗室致力于真核生物中的DNA復制研究，我們還與其他DNA復制生物學家合作，研究復制叉上的解旋酶功能。關于這個內容，我們zui近也發表了一篇PNAS文章（2017年1月）。
