微小染色体维持蛋白(minichromosome maintenance ,MCM))家族包含两大解旋酶复合物-MCM2-7和MCM8/9。大量相关的研究已经揭示了MCM2-7作为核心解旋酶参与DNA复制起始过程的分子机制。然而,MCM8/9主要参与DNA双链断裂后的同源重组修复过程,目前对其解旋的分子机制知之甚少。
MCM8/9复合体是复制解旋酶复合体MCM2-7的同源蛋白,但却参与完全不同的细胞生命过程。MCM8/9主要参与DNA双链断裂后同源重组的多个步骤,其基因突变和功能缺失与胃癌、肺癌、卵巢癌等不同的癌症相关,同时也存在着上百个与卵巢早衰(Premature Ovarian Failure,POF)相关的基因突变[1]。研究MCM8/9在同源重组中的分子机制和结构,对于理解相关的疾病机理具有重要的意义。

为了揭示MCM8/9结构与功能机制,刘迎芳/梁欢欢联合课题组的李军等博士从2012年起便开始研究MCM8/9的结构与功能,陆续于2020年和2021年发表了MCM8和MCM9 N端的晶体结构和MCM8 WHD结构域的晶体结构[2,3]。
本项最新研究是在前期的基础上,第一作者翁壮锋博士、博士生郑杰夫等人使用冷冻电子显微镜,进一步解析了鸡源MCM8/9复合物全酶的三维结构。结构显示,MCM8和MCM9先形成异源二聚体,三个MCM8/9二聚体通过三重对称组装成六聚体,中央形成一个直径为28 Å的通道,可以允许双链DNA通过。另外,与MCM2-7类似,MCM8/9也含有MCM解旋酶典型的loop结构,如OB hairpin loops, H2I, PS1等,这些loop在MCM8/9的解旋酶活性中发挥DNA双链的解旋作用。

进一步对MCM8/9的结构进行动态分析,研究人员意外的发现MCM8/9六聚体形成两个氨基端及羧基端的两个结构环NTD环与CTD环之间可以发生约30°左右的相对的旋转。这一现象非常有意思,可能暗示着该解旋酶在DNA双链上转移或者解旋时,是以一种相对旋转的方式推进的。对比同源蛋白复合体MCM2-7 ,由于MCM2-7的NTD和CTD之间的linker序列很短,所以无法实现类似的相对旋转。合作者北京大学徐冬一团队活性研究也证实MCM8/9的NTD环和CTD环之间linker的长度对其解旋酶活性至关重要,缩短其长度将会严重影响MCM8/9的解旋酶活性。以上结果都提示MCM8/9复合体的解旋酶机制与MCM2-7复合体存在着显著不同。
除此之外,为了探索MCM8/9的激活机制,研究者还尝试进一步解析MCM8/9与其激活因子HROB的复合物结构。通过研究发现,在HROB的诱导下,MCM8/9的NTD环的构象发生了明显的改变,HROB扩大了MCM8和MCM9的三聚体界面,因而推测HROB可能是通过改变MCM8/9的NTD环的构象来促进MCM8/9的解旋能力。