來源：丁香學(xué)術(shù)

未結(jié)合 DNA 的人類 MCM2-7 復(fù)合物結(jié)構(gòu)被揭示

DNA 復(fù)制的精確起始依賴于起源識別復(fù)合物（Origin recognition complex，ORC）、CDC6 和 CDT1 協(xié)同將六聚體解旋酶 MCM2-7「加載」（Loaded）至染色質(zhì)，該過程異常則會(huì)導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，并引發(fā)疾病等。

截至目前，已知酵母 MCM2-7 未結(jié)合 DNA 時(shí)以單六聚體（Single hexamer，SH）存在，加載后形成雙六聚體（Double hexamer，DH）環(huán)繞 DNA，但人類 MCM2-7 在未結(jié)合 DNA 時(shí)的結(jié)構(gòu)特征及調(diào)控機(jī)制仍不明確。此外，人類 MCM3 突變與 Meier-Gorlin 綜合征相關(guān)，但其影響 DNA 復(fù)制的分子機(jī)制亟待闡明。

2025 年 5 月 31 日，施一公與合作者在預(yù)印本bioRxiv上發(fā)表了題為

Cryo-EM structure of DNA-unbound human MCM2-7 complex reveals new disease-relevant regulation

圖 1 相關(guān)研究（圖源：[2]）

未結(jié)合 DNA 的 MCM2-7 結(jié)構(gòu)特征

通過冷凍電鏡解析發(fā)現(xiàn)，人類 MCM2-7 在無 DNA 時(shí)同時(shí)存在 SH 和 DH，其中 DH 有延伸和緊湊兩種構(gòu)象，均由兩個(gè) SH 頭對頭堆疊形成，SH 呈左手螺旋且 DNA 入口的門是開放的。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)，MCM4 和 MCM5 的翼狀螺旋結(jié)構(gòu)域（Winged helix domain，WHD）占據(jù)中央通道，而 MCM3 的 WHD 則與 MCM2 的 C 端結(jié)合，形成跨 DNA 入口門的「安全閂鎖」，阻塞 DNA 進(jìn)入中央通道。

圖 2 相關(guān)研究（圖源：[2]）

安全閂鎖的功能驗(yàn)證

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，MCM3 WHD 與 MCM2 的相互作用依賴 I804、F806、I808 等疏水殘基，而突變這些位點(diǎn)（如 MCM3 3A），則會(huì)破壞閂鎖。Meier-Gorlin 綜合征相關(guān)突變 Q761L 則可增強(qiáng)該相互作用。

與此同時(shí)，ORC-CDC6 可通過結(jié)合 MCM3 WHD 而打開閂鎖，并促進(jìn) DNA 加載；Q761L 突變雖強(qiáng)化 WHD 與 ORC-CDC6 的結(jié)合，但因閂鎖過強(qiáng)導(dǎo)致 ORC-CDC6 無法有效解鎖。

在細(xì)胞水平上，研究人員發(fā)現(xiàn)，MCM3 3A 和 Q761L 突變均導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)合的 MCM2-7 水平降低，引發(fā)復(fù)制壓力，表現(xiàn)為 ATR-CHK1 通路激活、G2/M 期阻滯等，而抑制 ATR 或 CHK1 則可緩解 G2 的阻滯，證實(shí)突變通過激活 DNA 損傷檢查點(diǎn)而影響細(xì)胞周期。

圖 3 MCM3 WHD 突變可誘導(dǎo)人類細(xì)胞發(fā)生 G2 期阻滯（圖源：[2]）

本研究揭示了人類 MCM2-7 在未結(jié)合 DNA 時(shí)的結(jié)構(gòu)特征，闡明了 MCM3 WHD 通過形成「安全閂鎖」調(diào)控 DNA 的加載。此外，Meier-Gorlin 綜合征相關(guān)突變 Q761L，會(huì)因強(qiáng)化閂鎖穩(wěn)定性而導(dǎo)致 MCM2-7 的加載缺陷，進(jìn)而引發(fā)復(fù)制壓力與細(xì)胞周期異常。因此，該研究為理解真核生物 DNA 復(fù)制起始調(diào)控及 Meier-Gorlin 綜合征的發(fā)病機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也為靶向 MCM3 WHD 的藥物開發(fā)提供了新思路。

3-吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）是調(diào)控植物生長發(fā)育的關(guān)鍵激素，其極性運(yùn)輸（Polar auxin transport，PAT）依賴于特定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。擬南芥 Auxin-resistant 1（AUX1）作為首個(gè)被鑒定的生長素流入轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其在組織生長、維管模式形成、根莖發(fā)育等過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用，但其介導(dǎo)生長素結(jié)合與運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制仍未被闡明。前期有研究發(fā)現(xiàn)，AUX1 突變會(huì)導(dǎo)致植物生長缺陷，但 AUX1 的結(jié)構(gòu)特征長期缺失。

2025 年 5 月 27 日，施一公與合作者在預(yù)印本bioRxiv上發(fā)表了題為

Structural basis of auxin binding and transport by Arabidopsis thaliana AUX1

圖 4 相關(guān)研究（圖源：[1]）

AUX1 整體結(jié)構(gòu)與組裝方式

通過冷凍電鏡技術(shù)，研究人員解析了擬南芥 AUX1 在結(jié)合 IAA 和未結(jié)合 IAA 狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AUX1 以單體形式存在，包含 11 個(gè)跨膜螺旋（Transmembrane helixes，TMs），其中 TM1-5 和 TM6-10 構(gòu)成經(jīng)典的 LeuT 折疊結(jié)構(gòu)，TM11 則通過與兩側(cè)結(jié)構(gòu)域的相互作用穩(wěn)定整體構(gòu)象。

在對 IAA 結(jié)合 AUX1 狀態(tài)的結(jié)構(gòu)分析中，研究人員發(fā)現(xiàn)，AUX1 的跨膜區(qū)域形成中央運(yùn)輸通道，此外，N 端和 C 端分別位于胞內(nèi)和胞外，為底物運(yùn)輸提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖 5 AUX1 的結(jié)構(gòu)解析（圖源：[1]）

IAA 識別與結(jié)合機(jī)制

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，IAA 結(jié)合在 AUX1 由 TM1、TM3、TM6 和 TM8 形成的中央口袋中，并通過氫鍵和范德華力實(shí)現(xiàn)特異性識別。其中，IAA 的羧基與 Tyr244、Gln62、Gln153 形成氫鍵，吲哚環(huán)與 Ala61、His249、Ala329 發(fā)生范德華相互作用，酰胺基則與 Asn58 和 Thr325 結(jié)合。

接下來的突變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證實(shí)，Gln153、Tyr244 等關(guān)鍵殘基的突變會(huì)顯著降低 AUX1 的運(yùn)輸活性，驗(yàn)證了該結(jié)合模式的功能性。

此外，在對比 IAA 結(jié)合和未結(jié)合 AUX1 的結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，TM1 和 TM6 在結(jié)合 IAA 后發(fā)生顯著構(gòu)象重排，其中 TM1a 旋轉(zhuǎn)了約 19°，His249 則從游離狀態(tài)的外向位置轉(zhuǎn)向結(jié)合狀態(tài)的內(nèi)向位置，并直接參與 IAA 的配位。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，Gln59 在兩種狀態(tài)下的相互作用發(fā)生了變化，其通過構(gòu)象切換促進(jìn)底物釋放，這也顯示了 AUX1 運(yùn)輸過程中的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制。

圖 6 IAA 結(jié)合或未結(jié)合 AUX1 時(shí)的構(gòu)象變化（圖源：[1]）

本研究揭示了 AUX1 介導(dǎo) IAA 結(jié)合與運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制，證明其通過 LeuT 折疊結(jié)構(gòu)形成底物結(jié)合口袋，依賴 His249 等關(guān)鍵殘基的構(gòu)象變化實(shí)現(xiàn) IAA 的識別與釋放。這些發(fā)現(xiàn)為理解 AUX1 家族的功能提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也為基于結(jié)構(gòu)的生長素類似物設(shè)計(jì)及農(nóng)業(yè)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Jing D, et al., Structural basis of auxin binding and transport by Arabidopsis thaliana AUX1. bioRxiv. 2025 May 27.

[2] Liu Y, et al., Cryo-EM structure of DNA-unbound human MCM2-7 complex reveals new disease-relevant regulation. bioRxiv. 2025 May 31.

圖片版權(quán)：bioRxiv 、圖蟲創(chuàng)意

我們長期為科研用戶提供前沿資訊、實(shí)驗(yàn)方法、選品推薦等服務(wù)，并且組建了 70 多個(gè)不同領(lǐng)域的專業(yè)交流群，覆蓋PCR、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、蛋白研究、神經(jīng)科學(xué)、腫瘤免疫、基因編輯、外泌體、類器官等領(lǐng)域，定期分享實(shí)驗(yàn)干貨、文獻(xiàn)解讀等活動(dòng)。

添加實(shí)驗(yàn)菌企微，回復(fù)【】中的序號，即可領(lǐng)取對應(yīng)的資料包哦～

【2401】論文寫作干貨資料（100 頁）

【2402】國內(nèi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法匯總（60 頁）

【2403】2024 最新最全影響因子（20000+ 期刊目錄）

【2404】免疫學(xué)信號通路手冊

【2405】PCR 實(shí)驗(yàn) protocol 匯總

【2406】免疫熒光實(shí)驗(yàn) protocol 合集

【2407】細(xì)胞培養(yǎng)手冊

【2408】蛋白純化實(shí)驗(yàn)手冊

【2501】染色體分析方法匯總

【2502】國自然中標(biāo)標(biāo)書模板

【2503】WB 實(shí)驗(yàn)詳解及常見問題解答

【2504】DeepSeek 論文寫作常用口令

【2505】中國科學(xué)院期刊分區(qū)表（2025 年最新版）

【2506】期刊影響因子（2025 年最新版）