研究人员对G-四链体（G-quadruplexes）提供了新的见解，这是一种备受关注的次级DNA结构，可能成为癌症的治疗靶点。
每天，你体内数十亿个细胞进行分裂，帮助用新细胞替换旧的和受伤的细胞。每当这种情况发生时，你的整个遗传库——你的基因组，总计超过30亿个DNA碱基对——必须从母细胞精确复制到新的子细胞中。
当生物体遇到问题——科学家称之为“复制压力”——这个过程更容易出现错误，通常会导致遗传密码的突变。这些突变可以向前传播并导致癌症和其他疾病。
这种压力的一个来源是进行复制的生物机械设备被物理卡住。而它可能卡住的一个东西就是DNA模板本身，在某些情况下它可以采用替代结构。例如，富含鸟嘌呤碱基（用DNA代码中的G表示）的基因组区域可以折叠成一种称为G四链体（G-quadruplex，简称G4）的DNA结构，这种结构比正常的DNA更加紧凑。
通过冷冻电子显微镜（cryo-EM），纪念斯隆凯特林癌症中心（MSK）的结构与分子生物学家团队开始研究G4——这种结构因其可能成为癌症的潜在治疗靶点而受到关注——努力理解其对DNA复制的影响。此外，科学家们意外首次捕捉到人类细胞中推动细胞复制机械移动沿DNA的“引擎”的详细图像。
他们的研究结果于3月7日发布在世界领先的科学期刊之一《科学》（Science）上，不仅揭示了类似G4的次级DNA结构如何阻碍DNA复制的新细节，还为基本的人类生物学提供了新的见解。
该研究由共同第一作者Sahil Batra博士领导，他是高级作者Dirk Remus博士实验室的研究学者，以及Benjamin Allwein，一名在高级作者Richard Hite博士实验室的研究生。这两个实验室都是Sloan Kettering Institute的一部分，MSK的基础生物学研究中心。
G-四链体与癌症
“DNA双螺旋是科学中最具代表性的分子结构之一，”Batra博士说。“但是DNA实际上可以以多种形状存在，G-四链体就是其中之一。目前正在开发药物来靶向癌细胞中的G4，但G4有害效应的机制尚不清楚——这也是我们研究它们的原因之一。”
研究人员表示，G4与一些知名的致癌基因（如MYC和KRAS）有关，以及与癌细胞通过补充端粒（它们染色体的保护帽）来延长其寿命的能力有关。
“因此，目标是通过靶向癌细胞中的G4，可以将它们锁定在原位，防止DNA被解开和复制，从而干扰癌细胞分裂和增殖的能力，”Remus博士说。“我们一直知道G4与基因组不稳定性相关——而现在我们的研究提供了关于它们如何工作和为什么它们如此有害的更清晰理解。”
可视化G4的活动
结构生物学家使用多种工具来观察生物分子的形状，并研究它们如何相互物理交互。这可以提供其他方法无法获得的深入见解，并使研究人员能够识别出如阻碍或增强特定蛋白质或蛋白质复合物活动的机会。
这项新研究提供了关于这些次级DNA结构如何对DNA复制机械形成物理障碍的决定性证据，同时提出了关于如何解决问题以完成复制的新问题。
“当我们的细胞分裂时，我们的DNA需要被复制，以便将完整的遗传指令集从母细胞传递到新的子细胞，”Hite博士说。“复制过程由包含多个亚基的大型蛋白质复合物进行，称为复制泡（replisomes）。复制泡协调在合成新DNA之前对DNA的解旋，以便将其分配到子细胞。”
在细胞分裂期间，熟悉的双链DNA螺旋被分裂成两个单链，而细胞的复制机械在这些单链上像单轨列车一样移动，Weill Cornell Medicine的博士生Allwein解释道。
“这些冷冻电子显微镜图像向我们展示的是，G4结构可以被卡住——就像单轨轨道上的障碍物——在一个称为CMG解旋酶（helicase）的环形蛋白复合体的中心，这个复合体作为解旋链的引擎，”他说。
通过揭示G4如何阻碍复制的确切方式，科学家们现在可以利用这一理解来指导未来的研究并开发涉及这一关键细胞过程的治疗方法。
“如果这些障碍总是导致不可逆的停滞，我们将永远无法成功进行细胞分裂，”Batra博士补充道。“因此，这也将帮助我们更多地了解在复制过程中DNA是如何被修复、修改和校正的。这些过程中出现的问题与多种疾病相关，包括癌症和神经退行性疾病。”
意外发现
研究人员还意外发现了CMG解旋酶如何沿DNA链移动的额外发现。
“蛋白质时刻在DNA链上移动，以读取和处理遗传信息，”Remus博士说。“但是在大多数情况下，我们仍然不知道分子水平上到底发生了什么。蛋白质实际上如何——物理上——沿DNA移动？”
在原子水平捕捉这种过程是一个具有挑战性的过程，以观察正在发生的事情。对细菌和病毒的研究已经很久以来提供了一个工作模型。
“然而，我们的研究显示，在像人这样的复杂生物体中，这种酶的移动完全不同，”Hite博士补充道。
在他们的论文中，科学家将其运动描述为“螺旋虫”（helical inchworm），意思是它在环绕DNA链时在两种状态之间移动——扁平和螺旋形状。
“这两种状态之间的振荡是推动它沿DNA移动的动力——使其能在每次细胞分裂时解开这30亿个碱基对，”Hite博士说。
附加作者、资助和披露
论文的附加作者包括Charanya Kumar, Sujan Devbhandari, Jan-Gert Brüning, Soon Bahng, Chong Lee, Kenneth Marians——均来自MSK。
该研究的资助来自美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的拨款（R35GM152094，R35GM126907）和国家癌症研究所（National Cancer Institute）的拨款（P30CA008748）；来自MSK的基础科学研究创新奖；以及一个Pershing Square Sohn癌症奖。
Hite博士为F. Hoffmann-LaRoche Ltd.提供咨询服务。
