每次细胞分裂时，其整个基因组，人类中为30亿个碱基对，必须以近乎完美的保真度进行复制。这个过程从一种名为DNA引物酶的酶开始，它合成DNA聚合酶开始复制所需的短RNA引物。引物酶本身如何启动一直是一个长期存在的难题：它必须精确选择正确的两个核苷酸来形成第一个二核苷酸键，而没有任何预先存在的链可以延伸。
7月3日发表在《自然·通讯》上的一项由苏黎世联邦理工学院和亚琛工业大学研究人员完成的研究，利用核磁共振波谱技术以原子级细节揭示了答案。该机制涉及一种意想不到的非对称性，即”第二优先”顺序，第二个核苷酸驱动模板识别，而第一个核苷酸则处于未配对状态。
这项研究由苏黎世联邦理工学院的Pengzhi Wu和Frederic Allain领导，研究对象是来自古菌Sulfolobus islandicus的pRN1质粒的一种小型耐热引物酶。由于这种引物酶体积小、为单亚基且在高温下稳定，它是结构解析的理想系统。
两步组装
DNA引物酶在其辅助结构域中同时结合DNA模板和两个起始核苷酸。关键发现是这两个核苷酸中最初只有第二个与模板形成碱基对。第一个核苷酸在此阶段保持未配对状态，通过蛋白质相互作用固定。
这个未配对的第一个核苷酸触发了一个称为模板碱基翻转的过程，模板链将其相对的碱基从正常的螺旋堆中旋转出来，进入一个结合口袋，类似于DNA修复酶中的机制。翻转的碱基参与连接子相互作用，诱导酶发生闭合构象变化。
在闭合状态下，第二个核苷酸从起始位点移动到延伸位点，第一个核苷酸最终在起始位点形成正确的碱基对。两个核苷酸现在都已就位，准备催化形成初始磷酸二酯键。
“这是一个在启动催化之前的内置校对检查点，”该机制表明：通过要求第二个核苷酸在第一个核苷酸锁定到位之前正确配对，引物酶避免了以错配的第一个碱基启动。
保守性与意义
pRN1引物酶是一种古菌酶，但该机制被认为在生命域中是保守的，这意味着相同的”第二优先”组装可能也在人类引物酶中运作。如果得到确认，这一发现将解决复制生物学中的一个基本谜题：引物酶在启动步骤中如何实现保真度，在该步骤中，由于没有新生链可检查，经典校对（3′-5’核酸外切酶活性）无法使用。
结构细节还为设计抑制剂开辟了途径，这些抑制剂可以阻断病原体（病毒、细菌和寄生虫）中的引物合成，而不会靶向宿主引物酶。在合成生物学中，最小的pRN1系统为设计具有可调启动特异性的人工引物酶提供了模板。
翻译者: 婷