生物生必看！1篇Cell+1篇Cell子刊揭秘基因拷贝在复制过程中如何黏连在一起

在细胞分裂前，DNA 会精准复制出两份相同的 "姐妹染色单体"，它们被环状的黏连蛋白（cohesin）紧紧束缚，直到分裂时被纺锤丝拉向细胞两极—— 这一过程如同一场精密的 "微型拔河"。

黏连蛋白虽在近 30 年前就被发现，但一个关键问题始终困扰着科学家：负责 DNA 复制的 "复制体"（replisome），遇到路径上的黏连蛋白环时，究竟如何顺利通过而不破坏遗传信息的完整性？如今，克里克研究所 John Diffley 和 Frank Uhlmann 团队通过《细胞》和《分子细胞》发表的两篇研究，终于用生物化学重构和单分子成像技术，揭开了这一细胞分裂核心谜题的面纱。

Diffley 团队长期聚焦 DNA 复制机制，而 Uhlmann 团队则深耕黏连蛋白调控细胞分裂的功能，直到双方的技术突破让合作成为可能。"我们此前从未研究过黏连蛋白，一直专注于解析复制体的组成元件，"Diffley 说，"而 Uhlmann 团队在理解黏连蛋白如何组织 DNA 方面积累了深厚基础，恰好我们同时具备了探索两者相互作用的条件。" 这场跨领域合作的关键，在于博士研究员 Samson Glaser 和博士后 Minamino Masashi 开发的 "生物重构" 实验——他们在试管中重现了 DNA 复制与黏连蛋白相互作用的全过程，并通过荧光标记实现了实时观察。

从理论上看，黏连蛋白环直径约 35nm，而复制体直径约 25nm，看似足以容纳复制体通过。但此前研究发现，即使是直径仅 10nm 的 DNA 结合蛋白，都可能阻碍黏连蛋白滑动，这暗示黏连蛋白在 DNA 上可能处于 "折叠压缩" 状态。为验证复制体能否突破这一障碍，Glaser 将荧光标记的黏连蛋白加载到拉直的 DNA 链上，再加入同样带标记的复制体组件。

通过全内反射荧光显微镜（TIRF）观察，他首次捕捉到了复制体穿过黏连蛋白环的实时过程：当复制体靠近时，部分黏连蛋白环会 "舒展" 结构，允许复制体缓慢通过，之后重新恢复环状，继续束缚姐妹染色单体。更令人意外的是，随着复制体组件不断完善（加入 DNA 聚合酶、螺旋酶等），尽管其整体尺寸增大，穿过黏连蛋白环的效率反而从 10% 提升至 40% 以上——这与 "越大越难通过" 的直觉完全相反。

进一步实验发现，这一 "反常" 现象的关键在于两种 DNA 聚合酶：Pol α 和 Pol ε。当移除 Pol α 时，复制体完全无法穿过黏连蛋白环，只能推着黏连蛋白沿 DNA 移动；而缺失 Pol ε 时，通过率显著下降。更有趣的是，即使使用缺乏催化活性、仅保留 C 端结构域的 Pol ε 突变体（Pol ε Δcat），仍能恢复部分通过率，说明 Pol ε 的非催化结构域在辅助复制体穿环中发挥核心作用。"这完全颠覆了我们对 DNA 聚合酶的认知——它们不仅负责合成新 DNA 链，还在协调复制体与黏连蛋白相互作用中不可或缺，"Glaser 解释道。单分子力分析还显示，复制体穿环时会短暂积累不超过 20pN 的张力（远低于黏连蛋白环的断裂阈值），这种张力可能帮助黏连蛋白从折叠状态舒展，为复制体开辟通道。

不过，复制体穿环并非总能完美完成。Minamino 通过更精细的生物化学实验发现，约半数情况下，黏连蛋白在与复制体相遇后，只会环抱住其中一条姐妹染色单体，这暗示黏连蛋白环可能在碰撞中短暂 "破裂"，随后仅重新包裹单条 DNA。但细胞有应对这种 "失误" 的补救机制：一种名为 "黏连蛋白装载器"（Scc2-Scc4 复合物）会及时介入，将另一条姐妹染色单体 "拉" 进黏连蛋白环，完成双染色单体的束缚。此外，研究还发现了第二种保障机制：复制过程中会有新的黏连蛋白被招募到 DNA 上，通过 "两步捕获" 机制（先绑定一条染色单体，再结合另一条）形成新的环状束缚。这两种机制共同确保，即使初始穿环失败，姐妹染色单体也不会在分裂前提前分离。

为确认这些体外实验结果的生理相关性，团队还通过酵母细胞验证：当 Pol α 或 Pol ε 的关键结构域突变时，细胞分裂时姐妹染色单体的黏连错误率显著上升，进一步证明 DNA 聚合酶在穿环过程中的必要性。同时，他们发现黏连蛋白的 ATP 酶活性并非穿环必需——使用 ATP 水解缺陷的 EQ 突变体黏连蛋白，复制体仍能正常通过，说明这一过程更多依赖物理结构的动态变化，而非酶促反应。

这些发现不仅解答了长期存在的科学疑问，更开辟了新的研究方向。"我们现在好奇，除了合成 DNA，Pol α 和 Pol ε 的结构域究竟通过何种分子机制辅助穿环，"Diffley 表示。而 Uhlmann 则关注体内场景的复杂性："既然存在多种黏连保障机制，我们想知道细胞在不同生理状态下（如 DNA 损伤、应激反应）是否会偏好特定方式，这可能与癌症等疾病的染色体不稳定有关。"

正如 Uhlmann 所说："如果没有结合 DNA 复制和黏连蛋白两大领域的专业知识，我们无法解答这个基础生物学问题。这项工作只有在克里克研究所这样的跨学科环境中才能实现，它真正体现了科学合作的力量。" 未来，对这一过程的深入解析，或许能为理解癌症中染色体分离异常、开发靶向治疗提供新的靶点。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Samson Glaser et al, Replisome passage through the cohesin ring, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.08.028.

Masashi Minamino et al, Biochemical reconstitution of sister chromatid cohesion establishment during DNA replication, Molecular Cell (2025). DOI: 10.1016/j.molcel.2025.08.026.