據(jù)physorg網(wǎng)站2006年7月17日報道,，分子機械原理是通過一個生物細胞分解成兩個相同子細胞的方式開始這一轉(zhuǎn)換過程的，顯然這兩個早期很好地結(jié)合在一起的子細胞使得地球上各種形式的生物體在進化中世世代代保存著它們的原始形式,。美國勞倫斯伯克利能量學(xué)國家實驗室和伯克利加利福尼亞大學(xué)研究部門的研究員表示在三大主要生命形式――古菌,、細菌和真核生物中，這一啟動DNA分子細胞核復(fù)制的原理是相同的,。
在兩份即將同時出版在8月份的《自然結(jié)構(gòu)和分子生物學(xué)》刊物的文獻中,，研究人員公布了蛋白質(zhì)家族中一種螺旋結(jié)構(gòu)名為AAA＋蛋白質(zhì)的鑒定，它是細菌,、埃希氏大腸桿菌和真核細胞以及黑腹果蠅細胞中DNA分子復(fù)制的“啟動者”,。相比早期研究中所確定的AAA＋蛋白質(zhì)是古菌有機體中DNA核心分子復(fù)制啟動者的結(jié)論，這些新的發(fā)現(xiàn)暗示著DNA分子復(fù)制是一個早在古菌,、細菌及真核生物分裂成主要生命體形式前數(shù)百萬年就已經(jīng)存在的古老事件,。
果蠅研究的合作者、生物物理學(xué)家伊娃•諾克斯表示：“DNA細胞分子的及時忠實復(fù)制能力是它們幸存下來的基本原理,，但是,，盡管已有數(shù)十年的研究,，啟動DNA分子復(fù)制的結(jié)構(gòu)和分子基礎(chǔ)，以及DNA機構(gòu)在進化中保留的程度一直處在激烈的爭論中而未得到很好的定義,。”
同樣是果蠅研究合作者的生物化學(xué)家邁克爾•戈爾表示：“這兩份文獻融合了眾多生物物理學(xué)家的研究技巧,，把我們對DNA分子結(jié)構(gòu)打開和復(fù)制機理的理解帶入了一個新的層次。”
這兩項研究的參與者——生物化學(xué)家及生物結(jié)構(gòu)學(xué)家詹姆士•伯杰補充到：“我們關(guān)于三大生命形式中DNA啟動者的血族進化關(guān)系的發(fā)現(xiàn)是有意義的,，因為用它可以去解釋佛朗哥•雅各布的有關(guān)一個細胞要分裂成兩個細胞的現(xiàn)象,。一個細胞只有在正確的部位、正確的時間以及正確的方式同時避免額外復(fù)制的情況下才能完成這一分裂過程,。
果蠅的研究結(jié)果已經(jīng)報道在文獻中,，標題為：原始可識別聯(lián)合體中DNA形態(tài)細胞核的核苷依賴性構(gòu)象變化。這一研究由戈爾和諾克斯領(lǐng)導(dǎo),，包括麥根•克萊爾,、簡•厄茲伯格、帕特麗夏•羅布,、安德烈•萊斯特吶和伯杰,。在戈爾擔(dān)任教授的UC伯克利分子及生物細胞部門，諾克斯和伯杰分別贊同伯克利實驗室生命科學(xué)和物理生物分離學(xué)的觀點,。諾克斯同時還是霍華德•休斯醫(yī)學(xué)院的調(diào)查員,。
埃希氏大腸桿菌的研究結(jié)果也在文獻中被提及，標題為：依賴ATP的DNA聚合與復(fù)制重塑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),。伯杰領(lǐng)導(dǎo)了這項研究,，他的合作者包括厄茲伯格和梅利莎•莫特。
這兩項文獻背后的研究工作并不是等同的,，但他們確實都受益于“及時結(jié)果一致性的便利”,，伯杰解釋道。
“我們已經(jīng)通過戈爾及諾克斯小組的果蠅研究解決了埃希氏大腸桿菌研究中啟動者的結(jié)構(gòu)問題,。經(jīng)過交換意見,，我們立刻攜手共同努力。當我們后來能夠確定局部真核組織的細菌模型時,，就確定了這兩個機制間在進化和功能上的相似性,。”
對于埃希氏大腸桿菌的研究，伯杰和他的隊伍利用了伯克利高級光源同步加速器實驗室的高強亮X射線光柱8.3.1,。通過這個蛋白質(zhì)結(jié)晶裝置所收集的數(shù)據(jù)，伯杰及他的隊伍組裝了一個蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)高分辨模型DnaA,，它同時也是AAA＋家族中的一員,。雖然長期以來人們共識DnaA是控制著細菌DNA分子復(fù)制的起步，分子的更詳細資料以及它無數(shù)的活躍元素至今仍是一個迷,。
伯杰的隊伍發(fā)現(xiàn),，當DnaA與三磷酸腺苷或ATP結(jié)合在一起時，核苷分子向細胞中所有的組分提供能量，環(huán)形的AAA＋蛋白質(zhì)便聚合進一個右旋的上層螺旋結(jié)構(gòu)中,。這樣的排列出乎人們預(yù)料,，因為在其它功能的AAA＋聯(lián)合體中，環(huán)形聚合是處于閉合狀態(tài),。另外,，建筑學(xué)理論暗示這一AAA＋超螺旋將包裹在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的外圍，從而引起人們熟悉的DNA“螺旋梯”變形,，這成為兩條基因鏈分離和展開的第一步,。
“很可能這個AAA＋環(huán)形復(fù)制啟動者是開放的，并允許其它蛋白質(zhì)與其結(jié)合,，”伯杰表示,，“這些其他的蛋白質(zhì)能夠幫助添加一些復(fù)雜的階層，比如協(xié)助解螺旋和在復(fù)制開始后鈍化啟動者,。開放的環(huán)形結(jié)構(gòu)同樣有可能允許DNA與其內(nèi)部的啟動者反應(yīng)聚合,。”細菌細胞，如同古菌細胞一樣,，是原核生物,，這意味著它們的DNA并不是包含在一個已定義的核子中，而由真核細胞構(gòu)成的植物,，動物以及所有其它有機生物的DNA都包含在有隔膜結(jié)構(gòu)的核子中,。盡管細菌中的DNA復(fù)制是典型的單一部位啟動，真核細胞的DNA復(fù)制卻能夠成為一個非常復(fù)雜的多重事件,，其中包括貫穿整個染色體不同部位蛋白質(zhì)機器的調(diào)整與重組,。此外，真核狀態(tài)染色體緊密包裹的屬性使這些蛋白質(zhì)機器很難進入它的DNA,。由于這一復(fù)雜性,，真核細胞中DNA復(fù)制的啟動機理被認為是與原核細胞中的啟動非常不同的一種機理。
過去數(shù)十年的研究已經(jīng)證明了真核細胞中所有這些DNA復(fù)制啟動的多重事件被一稱為起始可識別復(fù)雜體（ORC）的單一復(fù)雜體蛋白質(zhì)所控制著,。然而,，直到現(xiàn)在，這一ORC蛋白質(zhì)模型仍然缺乏足夠的細節(jié)來確定它作為啟動者的結(jié)構(gòu)形態(tài),。在諾克斯和戈爾以及他們合作者的果蠅研究中,，他們利用單粒子電子顯微鏡研究了果蠅的ORC蛋白質(zhì)。所得到的圖像在第一時間揭示了ORC蛋白與ATP結(jié)合形成AAA＋螺旋結(jié)構(gòu)與伯杰和他的隊伍在埃希氏大腸桿菌的研究中得到的DnaA超螺旋結(jié)構(gòu)是何等的相似,。
“這項工作為高級生物體中ATP驅(qū)使下ORC的機械轉(zhuǎn)化提供了第一手資料,，”諾克斯還說：“由于我們的研究還沒有證明啟動者環(huán)繞著DNA，埃希氏大腸桿菌研究中發(fā)現(xiàn)的與DnaA啟動者的結(jié)構(gòu)相似性暗示著很可能有強大的通用機械論學(xué)說,，這一學(xué)說將揭示啟動者嚙合與重塑復(fù)制原型機理,，以及它們怎樣促進復(fù)制體聚合,。”
有關(guān)三大主要生命體公有相同的DNA復(fù)制啟動者這一觀念是嶄新的而且需要研究真核細胞的生物學(xué)家進行慎重再考慮的理論。重新考慮的內(nèi)容同時還包括DNA復(fù)制模型,，在這一復(fù)制模型中,，預(yù)知的啟動者將含有與“夾子”和“夾具”等已經(jīng)確定為DNA復(fù)制工藝中的關(guān)鍵機構(gòu)相類似的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
伯杰表示：“我們的工作展示著在組裝的啟動者與夾具聯(lián)合體之間存在著主要的結(jié)構(gòu)性差異,。這將不僅對這些不同機理的各自功能有重要的暗示作用,，而且還對這一領(lǐng)域的一些珍貴的模型提出了質(zhì)疑。”
諾克斯,，伯杰,，戈爾以及他們同事的這兩項研究同時也揭示了一個自然規(guī)律：當自然界找到一個好的運轉(zhuǎn)機制，這一機制就將在進化的過程中保留下來,。
諾克斯表示：“這一DNA復(fù)制啟動者的特殊作用很早以前就已經(jīng)存在,，區(qū)分著它們與AAA＋蛋白質(zhì)家族中的其它成員，同時保留著反應(yīng)它們在復(fù)制過程中重要性的身份標志,。經(jīng)過了數(shù)百萬年,，進化又在這一高度保存著的中央引擎周圍加進了各種絆腳石。”
埃希氏大腸桿菌的研究獲得了數(shù)學(xué)慈善研究院G•哈羅德和國家健康研究院（NIH）萊拉•Y的支持,。果蠅研究也獲得了NIH同時還有生物環(huán)境研究以及HHMI組織美國能源部門辦公室的支持,。
來源：伯克利實驗室。
