7-18 科学家揭示所有生命体中的分子DNA转换原理相同（图文）

日期：2006-07-18　　访问次数：3489

据physorg网站2006年7月17日报道，分子机械原理是通过一个生物细胞分解成两个相同子细胞的方式开始这一转换过程的，显然这两个早期很好地结合在一起的子细胞使得地球上各种形式的生物体在进化中世世代代保存着它们的原始形式。美国劳伦斯伯克利能量学国家实验室和伯克利加利福尼亚大学研究部门的研究员表示在三大主要生命形式――古菌、细菌和真核生物中，这一启动DNA分子细胞核复制的原理是相同的。

在两份即将同时出版在8月份的《自然结构和分子生物学》刊物的文献中，研究人员公布了蛋白质家族中一种螺旋结构名为AAA＋蛋白质的鉴定，它是细菌、埃希氏大肠杆菌和真核细胞以及黑腹果蝇细胞中DNA分子复制的“启动者”。相比早期研究中所确定的AAA＋蛋白质是古菌有机体中DNA核心分子复制启动者的结论，这些新的发现暗示着DNA分子复制是一个早在古菌、细菌及真核生物分裂成主要生命体形式前数百万年就已经存在的古老事件。

果蝇研究的合作者、生物物理学家伊娃•诺克斯表示：“DNA细胞分子的及时忠实复制能力是它们幸存下来的基本原理，但是，尽管已有数十年的研究，启动DNA分子复制的结构和分子基础，以及DNA机构在进化中保留的程度一直处在激烈的争论中而未得到很好的定义。”

同样是果蝇研究合作者的生物化学家迈克尔•戈尔表示：“这两份文献融合了众多生物物理学家的研究技巧，把我们对DNA分子结构打开和复制机理的理解带入了一个新的层次。”

这两项研究的参与者——生物化学家及生物结构学家詹姆士•伯杰补充到：“我们关于三大生命形式中DNA启动者的血族进化关系的发现是有意义的，因为用它可以去解释佛朗哥•雅各布的有关一个细胞要分裂成两个细胞的现象。一个细胞只有在正确的部位、正确的时间以及正确的方式同时避免额外复制的情况下才能完成这一分裂过程。

果蝇的研究结果已经报道在文献中，标题为：原始可识别联合体中DNA形态细胞核的核苷依赖性构象变化。这一研究由戈尔和诺克斯领导，包括麦根•克莱尔、简•厄兹伯格、帕特丽夏•罗布、安德烈•莱斯特呐和伯杰。在戈尔担任教授的UC伯克利分子及生物细胞部门，诺克斯和伯杰分别赞同伯克利实验室生命科学和物理生物分离学的观点。诺克斯同时还是霍华德•休斯医学院的调查员。

埃希氏大肠杆菌的研究结果也在文献中被提及，标题为：依赖ATP的DNA聚合与复制重塑结构基础。伯杰领导了这项研究，他的合作者包括厄兹伯格和梅利莎•莫特。

这两项文献背后的研究工作并不是等同的，但他们确实都受益于“及时结果一致性的便利”，伯杰解释道。

“我们已经通过戈尔及诺克斯小组的果蝇研究解决了埃希氏大肠杆菌研究中启动者的结构问题。经过交换意见，我们立刻携手共同努力。当我们后来能够确定局部真核组织的细菌模型时，就确定了这两个机制间在进化和功能上的相似性。”

对于埃希氏大肠杆菌的研究，伯杰和他的队伍利用了伯克利高级光源同步加速器实验室的高强亮X射线光柱8.3.1。通过这个蛋白质结晶装置所收集的数据，伯杰及他的队伍组装了一个蛋白质分子结构高分辨模型DnaA，它同时也是AAA＋家族中的一员。虽然长期以来人们共识DnaA是控制着细菌DNA分子复制的起步，分子的更详细资料以及它无数的活跃元素至今仍是一个迷。

伯杰的队伍发现，当DnaA与三磷酸腺苷或ATP结合在一起时，核苷分子向细胞中所有的组分提供能量，环形的AAA＋蛋白质便聚合进一个右旋的上层螺旋结构中。这样的排列出乎人们预料，因为在其它功能的AAA＋联合体中，环形聚合是处于闭合状态。另外，建筑学理论暗示这一AAA＋超螺旋将包裹在DNA双螺旋结构的外围，从而引起人们熟悉的DNA“螺旋梯”变形，这成为两条基因链分离和展开的第一步。

“很可能这个AAA＋环形复制启动者是开放的，并允许其它蛋白质与其结合，”伯杰表示，“这些其他的蛋白质能够帮助添加一些复杂的阶层，比如协助解螺旋和在复制开始后钝化启动者。开放的环形结构同样有可能允许DNA与其内部的启动者反应聚合。”细菌细胞，如同古菌细胞一样，是原核生物，这意味着它们的DNA并不是包含在一个已定义的核子中，而由真核细胞构成的植物，动物以及所有其它有机生物的DNA都包含在有隔膜结构的核子中。尽管细菌中的DNA复制是典型的单一部位启动，真核细胞的DNA复制却能够成为一个非常复杂的多重事件，其中包括贯穿整个染色体不同部位蛋白质机器的调整与重组。此外，真核状态染色体紧密包裹的属性使这些蛋白质机器很难进入它的DNA。由于这一复杂性，真核细胞中DNA复制的启动机理被认为是与原核细胞中的启动非常不同的一种机理。

过去数十年的研究已经证明了真核细胞中所有这些DNA复制启动的多重事件被一称为起始可识别复杂体（ORC）的单一复杂体蛋白质所控制着。然而，直到现在，这一ORC蛋白质模型仍然缺乏足够的细节来确定它作为启动者的结构形态。在诺克斯和戈尔以及他们合作者的果蝇研究中，他们利用单粒子电子显微镜研究了果蝇的ORC蛋白质。所得到的图像在第一时间揭示了ORC蛋白与ATP结合形成AAA＋螺旋结构与伯杰和他的队伍在埃希氏大肠杆菌的研究中得到的DnaA超螺旋结构是何等的相似。

“这项工作为高级生物体中ATP驱使下ORC的机械转化提供了第一手资料，”诺克斯还说：“由于我们的研究还没有证明启动者环绕着DNA，埃希氏大肠杆菌研究中发现的与DnaA启动者的结构相似性暗示着很可能有强大的通用机械论学说，这一学说将揭示启动者啮合与重塑复制原型机理，以及它们怎样促进复制体聚合。”

有关三大主要生命体公有相同的DNA复制启动者这一观念是崭新的而且需要研究真核细胞的生物学家进行慎重再考虑的理论。重新考虑的内容同时还包括DNA复制模型，在这一复制模型中，预知的启动者将含有与“夹子”和“夹具”等已经确定为DNA复制工艺中的关键机构相类似的蛋白质结构。

伯杰表示：“我们的工作展示着在组装的启动者与夹具联合体之间存在着主要的结构性差异。这将不仅对这些不同机理的各自功能有重要的暗示作用，而且还对这一领域的一些珍贵的模型提出了质疑。”

诺克斯，伯杰，戈尔以及他们同事的这两项研究同时也揭示了一个自然规律：当自然界找到一个好的运转机制，这一机制就将在进化的过程中保留下来。

诺克斯表示：“这一DNA复制启动者的特殊作用很早以前就已经存在，区分着它们与AAA＋蛋白质家族中的其它成员，同时保留着反应它们在复制过程中重要性的身份标志。经过了数百万年，进化又在这一高度保存着的中央引擎周围加进了各种绊脚石。”

埃希氏大肠杆菌的研究获得了数学慈善研究院G•哈罗德和国家健康研究院（NIH）莱拉•Y的支持。果蝇研究也获得了NIH同时还有生物环境研究以及HHMI组织美国能源部门办公室的支持。



摘自：中国科技信息网