细胞如何防止有害的额外DNA拷贝

人类和所有其他高等生物的细胞使用一个复杂的检查点和“许可”蛋白质系统，以确保它们在分裂之前精确地复制一次基因组。在细胞分裂的准备过程中，授权蛋白附着在DNA的特定区域，将其指定为复制起点。根据目前的模型，当细胞周期的DNA合成阶段开始时，复制只在那些许可的位点开始，并且只启动或“触发”一次。

不过，这种模式忽略了一个关键点。威尔康奈尔医学院约瑟夫·欣西细胞与发育生物学教授、资深作者托拜厄斯·迈耶博士说:“只有在这些复制源被激活后，允许这种许可发生的相同因素才会退化。”“原则上，细胞可以将这些许可机器加载到已经复制的DNA上，因此，你将获得该DNA片段的三到四个副本，而不是两个副本，这些细胞将失去基因组完整性，死亡或癌变。”

弄清楚细胞如何避免这种命运一直很棘手。“我们需要研究细胞周期中DNA合成阶段的最初几分钟内的事件，所以这是一个非常短暂的时期，”第一作者纳林·拉特纳耶克(Nalin Ratnayeke)说，他是一名研究生，在斯坦福大学和威尔康奈尔医学院(Weill Cornell Medicine)的迈耶博士的实验室参与了这个项目。该实验室于2020年搬到了威尔康奈尔医学院。为了解决这个困难的实验问题，Ratnayeke使用计算机辅助显微镜同时监测数千个生长中的细胞，捕捉复制细胞的行为，并分析它们的许可和复制因子的活动。

这项工作揭示了一个著名的许可因子CDT1，它不仅允许DNA片段成为复制起点，而且还充当DNA复制的制动器，阻止一种称为CMG解旋酶的基本复制酶发挥作用。要开始合成DNA，细胞的酶必须首先分解CDT1。Ratnayeke说:“以前提出的协调从细胞周期的许可阶段到细胞周期的激发阶段的过渡的机制依赖于抑制许可因子，我们在这里发现的机制实际上是相反的……许可因子CDT1本身阻止了DNA合成的进程。”

为了证实他们的结果，科学家们与英国剑桥医学研究委员会的同事们合作，他们发现抑制机制可以在一个简化的系统中再现整个DNA合成过程，在试管中使用纯化的成分。“这使我们能够重建DNA合成的所有成分，并证明CMG解旋酶被CDT1直接抑制，”梅耶博士说，他也是生物化学教授，也是威尔康奈尔医学桑德拉和爱德华梅耶癌症中心的成员。

由于复制许可失败会杀死细胞或使细胞癌变，因此该结果提供了对细胞健康和疾病的新理解。Ratnayeke说:“未来的工作将从机制上确定Cdt1抑制的机制，这将使我们更深入地了解CMG解旋酶如何发挥作用的生物物理学，并将确定可以使用药物靶向的这种复合物的特定区域。”