本文最初发表于 Knowable Magazine。
每个人都起源于一个受精卵。到成年时，这个细胞已经分化成大约37万亿个细胞，其中许多细胞会不断分裂，每隔几个月就会产生相同数量的新人类细胞。
但是，这些细胞面临着一个艰巨的挑战。平均而言，一个分裂的细胞必须在约24小时内完美地复制32亿个DNA碱基对。细胞的复制机制在这方面做得非常出色，以每秒约50个碱基对的惊人速度复制遗传物质。
然而，这个速度对于复制整个人类基因组来说还是太慢了。如果细胞的复制机制同时从46条染色体的尖端开始复制，那么复制最长的一条染色体——#1，拥有2.49亿个碱基对——将需要大约两个月的时间。
“细胞解决这个问题的方法是，在多个位点同时启动复制，”约翰霍普金斯大学医学院结构生物学家詹姆斯·伯杰说，他合著了2021年《生物化学年评》上的一篇关于真核生物DNA复制的文章。酵母细胞有数百个潜在的复制起点，它们被称为复制起源，而像小鼠和人类这样的动物则有数万个，散布在它们的基因组中。
“但这又带来了挑战，”伯杰说，“那就是，你怎么知道从哪里开始，又是如何安排所有事情的？”如果没有精确控制，一些DNA可能会被复制两次，导致细胞混乱。
严密控制DNA复制的启动对于避免这种混乱尤为重要。如今，研究人员正在朝着全面理解已进化的分子检查和平衡机制迈进，以确保每个复制起源只启动一次DNA复制，精确地产生一个完整的新基因组。
做得对，做得快
如果复制不能正确启动，就会发生不好的事情。为了复制DNA，DNA双螺旋必须打开，由此产生的单链——每条单链都作为模板来构建新的第二条链——容易断裂。或者，这个过程可能会卡住。“你真的希望快速解决复制问题，”伦敦弗朗西斯·克里克研究所的生物化学家约翰·迪夫利说。DNA复制过程中的问题会导致基因组混乱，这通常是癌症发展过程中的一个关键步骤。
一些遗传性疾病也是由DNA复制问题引起的。例如，戈林综合征（Meier-Gorlin syndrome），其特征是身材矮小、耳朵小以及没有或只有小髌骨，是由帮助启动DNA复制过程的几个基因突变引起的。
DNA复制机制的启动需要数十种蛋白质之间的高度协调的协作，才能在细胞生命周期的正确时间点开始。研究人员对这些蛋白质的功能有了相当好的了解，因为他们在实验室的无细胞生物混合物中成功地实现了DNA复制。他们利用酵母（用于制作面包和啤酒的同种酵母）的蛋白质模仿了复制起始的关键第一步，并且还利用人类版本的复制蛋白模仿了整个复制过程的大部分。
细胞通过一个两步过程来控制DNA复制的启动。该过程的整体目标是控制一种关键酶——解旋酶——的作用，该酶解开DNA双螺旋，为复制做准备。在第一步中，失活的解旋酶被加载到DNA的复制起源上。在第二步中，解旋酶被激活，解开DNA。
准备就绪（加载解旋酶）……
启动过程的是一组六种蛋白质，它们会结合在复制起源处。伯杰的团队发现，这组蛋白质被称为ORC，形状像一个双层环，带有一个方便的缺口，可以滑到DNA链上。
在酵母菌（科学家们研究DNA复制最喜欢的模型生物）中，这些起始位点很容易识别：它们有一个特定的、由11到17个字母组成的DNA核心序列，富含腺嘌呤和胸腺嘧啶化学碱基。科学家们观察到ORC如何抓住DNA，然后滑动，扫描复制起源序列，直到找到正确的位置。
但在人类和其他复杂生命体中，起始位点没有那么清晰的界限，并且尚不清楚是什么让ORC稳定下来并抓住DNA，克里克研究所的结构生物学家亚历山德罗·科斯塔说，他与迪夫利合著了2022年《生物化学年评》中关于DNA复制起始的文章。复制似乎更可能在基因组（通常紧密缠绕在组蛋白周围）松散的区域开始。
一旦ORC稳定在DNA上，它就会吸引第二个蛋白质复合物：其中包括将要解开DNA的解旋酶。科斯塔及其同事利用电子显微镜弄清楚了ORC如何先吸引一个解旋酶，然后再吸引另一个。解旋酶也呈环状，每个解旋酶会张开以包裹双链DNA。然后，两个解旋酶再次闭合，在DNA链上相互面对，就像串在绳子上的两颗珠子。
起初，它们只是待在那里，就像油箱里没有汽油的汽车。它们还没有被激活，目前细胞只是进行正常的活动。
准备就绪（激活解旋酶）……
当一种名为CDK的关键分子发出绿灯信号时，情况会加速，启动了吸引更多蛋白质的化学步骤。其中一种是DNA聚合酶——科斯塔称之为将构建新DNA链的“打字机”——它会附着在每个解旋酶上。其他蛋白质激活了解旋酶，它们现在可以消耗能量沿着DNA移动。
随着这一过程的发生，解旋酶会改变形状，推动一条DNA链，拉动另一条链。这会在通常将两条链通过碱基（构成DNA梯子横档的A、C、T和G）结合在一起的弱氢键上产生张力。两条链被撕裂。科斯塔及其同事观察到两个解旋酶是如何解开它们之间的DNA，他们还看到了解旋酶如何使未结合的碱基保持稳定并避开。
开始！
起初，两个解旋酶都包裹在两条DNA链上，由于它们面对面，无法走得太远，它们会互相撞到。但接着，它们各自发生位置变化，将一条DNA链或另一条DNA链从环中吐出。现在它们分开了，可以互相擦肩而过，复制过程得以快速进行。
每个解旋酶沿着其单链向前移动，方向与另一个相反。它们会离开复制起源，并在移动时撕开那些氢键连接的碱基对。DNA聚合酶紧随其后，复制着那些脱离其配对伙伴的DNA字母。
CDK的第二个作用是阻止任何其他解旋酶跳到复制起源上。因此，每个复制起源只有一个复制起始点，确保基因组的正确复制——尽管每个位点的复制并非同时开始。在人类细胞中，整个DNA复制过程大约需要八个小时。
还有很多问题有待解决。例如，正在复制的DNA并非裸露的双螺旋。它缠绕在组蛋白上，并附着在许多其他蛋白质上，这些蛋白质忙于开启或关闭基因，或制作基因的RNA副本。那些相互推挤的蛋白质如何影响彼此，以及如何避免碍手碍脚？
除了这种迷人的、对地球上所有生命至关重要的基本生物学过程之外，它还对癌症等疾病具有重要意义。科学家们已经知道，复制错误会破坏DNA的稳定性，而不稳定的、易发生突变的基因组可能是癌症早期发展的标志。并且他们还在进一步研究复制蛋白与癌症之间的联系。
“我认为，一旦我们对这些系统的工作原理和外观有了足够的了解，就有机会对它们进行治疗干预，”伯杰说。
本文最初发表于Knowable Magazine，这是来自 Annual Reviews 的一项独立新闻报道。注册新闻通讯。
