每次细胞分裂时，它都必须复制其整个基因组，以便每个子细胞继承一整套DNA。在此过程中，称为聚合酶的酶沿着DNA快速移动，以复制其代码并构建新的链。为了防止这些机器在复制中途脱离，一种类似夹子的蛋白质将聚合酶拴在DNA上，而另一种蛋白质——复制因子C（Replication Factor C, RFC）则将那个环扣紧到位。

但新的研究表明，RFC的作用远不止于此。发表在《细胞》杂志上的这一发现表明，即使在将蛋白夹加载到DNA上之后，RFC仍然与其结合，并且与聚合酶一起，这三个单元作为一个整体沿着DNA滑动，确保快速可靠的复制。这一发现修正了基础生物学数十年的教科书知识，并可能有助于解释癌症和神经系统疾病的分子根源。

"这项研究要求我们结合生物化学、单分子生物物理学和遗传学。"DNA复制实验室负责人Michael O'Donnell说。"我们因此获得的新知识非常美妙。"

复制叉的指挥家

DNA复制需要能够忠实复制基因组而不从DNA轨道上脱落的聚合酶，这种特性称为持续性。这种稳定性由DNA滑动夹赋予——这是一种环绕双链DNA的环状蛋白质，将聚合酶拴系在它们的模板上。

在真核生物中，滑动夹是增殖细胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen, PCNA），即一种对复制至关重要的分子，常被描述为复制叉的指挥家。然而，由于PCNA是一个闭合的环，它必须由专门的夹子加载器——复制因子C加载到DNA上，后者打开环，将其定位在DNA周围，然后再次关闭。几十年来，人们认为RFC在执行完这一催化任务后就脱离，让夹子自由地协调聚合酶和其他因子。

然而，尽管有此长期观点，O'Donnell团队的研究人员认识到这个系统可能更微妙。

他的实验室发现别人忽略的东西并不罕见。O'Donnell花费数十年思考复制叉——揭示夹子、夹子加载器和解旋酶如何协调基因组复制。他的实验室是第一个证明环状滑动夹蛋白环绕DNA以固定聚合酶的研究，这一概念成为基础生物学的一个信条。"我们在三十年前发现了滑动夹蛋白，当时还没有任何已知蛋白质能在DNA上滑动或环绕DNA。"O'Donnell说。"自最初发现以来，已发现几种修复和复制蛋白通过环绕DNA来发挥作用。"

在此基础之上，他的团队继续重新定义复制体，用冷冻电镜揭示真核解旋酶以与先前假设相反的方向与DNA结合，并从生物化学上展示了解旋酶如何在起点熔化DNA。他们还与Shixin Liu的纳米尺度生物物理与生物化学实验室长期合作，使用单分子技术追踪解旋酶及其前体在DNA上的动态变化。这些发现重塑了我们对复制如何开始以及为何保持稳定的理解。

对O'Donnell来说，探究复制叉的奥秘既是一个新的科学问题，也是实验室长期传统的延续。与洛克菲勒大学的Liu团队和纪念斯隆凯特琳癌症中心的同事合作，他的团队着手阐明RFC和PCNA的真实作用。

加载、停留并合成

研究始于一条DNA单链，它被激光固定的两个微观珠子之间拉紧，这种装置称为光阱。这种设置允许像操控一根系着的小绳一样操控DNA。团队向这条DNA添加了荧光标记的蛋白质：发绿光的RFC和发红光的PCNA。共聚焦显微镜随后追踪蛋白质结合和移动时的颜色闪光。当两种蛋白质一起移动时，它们重叠，颜色合并为黄色。

"这是一种强大的方法，因为你可以实时、高分辨率地将单蛋白行为和组成与DNA力学变化关联起来。"O'Donnell实验室的博士后研究员、曾为Liu实验室研究生的Gabriella Chua说。"因为复制从根本上改变DNA力学，这个工具对于研究这一动态过程非常有用。"

为了确定RFC的持久存在对DNA复制究竟意味着什么，团队随后使用生物化学技术测试了他们引入一种不能保持连接的突变型RFC时会发生什么。使用正常的RFC时，聚合酶紧紧附着并顺利复制，直到工作完成才离开。但使用突变的夹子加载器时，聚合酶不断从夹子上脱离并滑落DNA，迫使反复重新开始，显著减慢了反应。

"这不是很多人预期的结果。"Chua说。"RFC被认为会完成工作并离开现场。但事后看来，考虑到其他实验室最近的结果暗示RFC可能不仅仅起催化加载器的作用，这完全合理。"

由Xiaolan Zhao实验室进行的遗传学实验支持了生物化学和单分子发现。Zhao曾在洛克菲勒大学与已故的Günter Blobel一起做博士后工作，现在在纪念斯隆凯特琳癌症中心领导自己的实验室。在酵母中，研究人员改造了一个在稳定PCNA-聚合酶复合物方面能力减弱的RFC版本。单独来看，这种突变株仍然可以生长，但当相同的细胞同时缺失另一种酶FEN1时，它们就无法存活。

在新模型的背景下，这一结果表明，RFC的结构作用如此重要，以至于系统包含内置的冗余。除了其自身的酶功能外，FEN1还具有可以替代RFC以维持复制机器运转的结构作用。

PCNA夹子也已成为潜在的癌症药物靶点，因为癌细胞高度依赖其招募能力来增殖。PCNA作为一个中心枢纽，通过不同的位点结合数十种参与复制和修复的蛋白质，其相互作用可以被选择性地阻断。例如，一种旨在仅干扰RFC和FEN1相互作用——同时仍允许聚合酶结合——的药物，可以破坏肿瘤生长而不完全停止复制。

这项研究也对生物学中一个更广泛、新兴的主题有所启示：蛋白质通常执行重要的非催化功能，在结构或支架方面，这些功能远远超出了其已知的酶活性。

"我们的研究表明，即使在像DNA复制这样被深入研究的系统中，我们也能发现蛋白质的新作用。"Chua说。"蛋白质的非催化功能很容易被忽视，但在生物学中起着关键作用。我们应该更经常地寻找它们。"（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Gabriella N.L. Chua et al, A non-catalytic role for RFC in PCNA-mediated processive DNA synthesis, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2025.12.029.