浙江
来源：丁香学术
未结合 DNA 的人类 MCM2-7 复合物结构被揭示
DNA 复制的精确起始依赖于起源识别复合物（Origin recognition complex，ORC）、CDC6 和 CDT1 协同将六聚体解旋酶 MCM2-7「加载」（Loaded）至染色质，该过程异常则会导致基因组不稳定，并引发疾病等。
截至目前，已知酵母 MCM2-7 未结合 DNA 时以单六聚体（Single hexamer，SH）存在，加载后形成双六聚体（Double hexamer，DH）环绕 DNA，但人类 MCM2-7 在未结合 DNA 时的结构特征及调控机制仍不明确。此外，人类 MCM3 突变与 Meier-Gorlin 综合征相关，但其影响 DNA 复制的分子机制亟待阐明。
2025 年 5 月 31 日，施一公与合作者在预印本bioRxiv上发表了题为
Cryo-EM structure of DNA-unbound human MCM2-7 complex reveals new disease-relevant regulation的文章，研究人员通过冷冻电镜技术解析了未结合 DNA 的人类 MCM2-7 复合物的结构特征，为理解 DNA 复制调控及相关遗传性疾病的发病机制提供了新视角。
图 1 相关研究（图源：[2]）
未结合 DNA 的 MCM2-7 结构特征
通过冷冻电镜解析发现，人类 MCM2-7 在无 DNA 时同时存在 SH 和 DH，其中 DH 有延伸和紧凑两种构象，均由两个 SH 头对头堆叠形成，SH 呈左手螺旋且 DNA 入口的门是开放的。
此外，他们还发现，MCM4 和 MCM5 的翼状螺旋结构域（Winged helix domain，WHD）占据中央通道，而 MCM3 的 WHD 则与 MCM2 的 C 端结合，形成跨 DNA 入口门的「安全闩锁」，阻塞 DNA 进入中央通道。
图 2 相关研究（图源：[2]）
安全闩锁的功能验证
进一步的研究发现，MCM3 WHD 与 MCM2 的相互作用依赖 I804、F806、I808 等疏水残基，而突变这些位点（如 MCM3 3A），则会破坏闩锁。Meier-Gorlin 综合征相关突变 Q761L 则可增强该相互作用。
与此同时，ORC-CDC6 可通过结合 MCM3 WHD 而打开闩锁，并促进 DNA 加载；Q761L 突变虽强化 WHD 与 ORC-CDC6 的结合，但因闩锁过强导致 ORC-CDC6 无法有效解锁。
在细胞水平上，研究人员发现，MCM3 3A 和 Q761L 突变均导致染色质结合的 MCM2-7 水平降低，引发复制压力，表现为 ATR-CHK1 通路激活、G2/M 期阻滞等，而抑制 ATR 或 CHK1 则可缓解 G2 的阻滞，证实突变通过激活 DNA 损伤检查点而影响细胞周期。
图 3 MCM3 WHD 突变可诱导人类细胞发生 G2 期阻滞（图源：[2]）
本研究揭示了人类 MCM2-7 在未结合 DNA 时的结构特征，阐明了 MCM3 WHD 通过形成「安全闩锁」调控 DNA 的加载。此外，Meier-Gorlin 综合征相关突变 Q761L，会因强化闩锁稳定性而导致 MCM2-7 的加载缺陷，进而引发复制压力与细胞周期异常。因此，该研究为理解真核生物 DNA 复制起始调控及 Meier-Gorlin 综合征的发病机制提供了结构基础，也为靶向 MCM3 WHD 的药物开发提供了新思路。
3-吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）是调控植物生长发育的关键激素，其极性运输（Polar auxin transport，PAT）依赖于特定转运蛋白。拟南芥 Auxin-resistant 1（AUX1）作为首个被鉴定的生长素流入转运蛋白，其在组织生长、维管模式形成、根茎发育等过程中发挥重要调控作用，但其介导生长素结合与运输的分子机制仍未被阐明。前期有研究发现，AUX1 突变会导致植物生长缺陷，但 AUX1 的结构特征长期缺失。
2025 年 5 月 27 日，施一公与合作者在预印本bioRxiv上发表了题为
Structural basis of auxin binding and transport by Arabidopsis thaliana AUX1的文章，研究人员通过冷冻电镜技术解析了 AUX1 结合和未结合 IAA 状态的结构，为揭示 AUX1 介导的生长素结合与分子运输机制奠定了基础，也为 AUX1 家族功能研究及农业应用提供了新思路。
图 4 相关研究（图源：[1]）
AUX1 整体结构与组装方式
通过冷冻电镜技术，研究人员解析了拟南芥 AUX1 在结合 IAA 和未结合 IAA 状态下的结构。分析结果发现，AUX1 以单体形式存在，包含 11 个跨膜螺旋（Transmembrane helixes，TMs），其中 TM1-5 和 TM6-10 构成经典的 LeuT 折叠结构，TM11 则通过与两侧结构域的相互作用稳定整体构象。
在对 IAA 结合 AUX1 状态的结构分析中，研究人员发现，AUX1 的跨膜区域形成中央运输通道，此外，N 端和 C 端分别位于胞内和胞外，为底物运输提供了结构基础。
图 5 AUX1 的结构解析（图源：[1]）
IAA 识别与结合机制
进一步的研究发现，IAA 结合在 AUX1 由 TM1、TM3、TM6 和 TM8 形成的中央口袋中，并通过氢键和范德华力实现特异性识别。其中，IAA 的羧基与 Tyr244、Gln62、Gln153 形成氢键，吲哚环与 Ala61、His249、Ala329 发生范德华相互作用，酰胺基则与 Asn58 和 Thr325 结合。
接下来的突变实验数据也证实，Gln153、Tyr244 等关键残基的突变会显著降低 AUX1 的运输活性，验证了该结合模式的功能性。
此外，在对比 IAA 结合和未结合 AUX1 的结构时发现，TM1 和 TM6 在结合 IAA 后发生显著构象重排，其中 TM1a 旋转了约 19°，His249 则从游离状态的外向位置转向结合状态的内向位置，并直接参与 IAA 的配位。
研究人员还发现，Gln59 在两种状态下的相互作用发生了变化，其通过构象切换促进底物释放，这也显示了 AUX1 运输过程中的动态调节机制。
图 6 IAA 结合或未结合 AUX1 时的构象变化（图源：[1]）
本研究揭示了 AUX1 介导 IAA 结合与运输的分子机制，证明其通过 LeuT 折叠结构形成底物结合口袋，依赖 His249 等关键残基的构象变化实现 IAA 的识别与释放。这些发现为理解 AUX1 家族的功能提供了结构基础，也为基于结构的生长素类似物设计及农业应用奠定了理论基础。
参考文献
[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.
图片版权：bioRxiv 、图虫创意
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