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2018
02-02

如何消除DNA中的缠结


DNA损伤是生活的一个事实。在任何一天,一个有机体的DNA将会遭受10,000到1,000,000次断裂或其他损害。这些问题是由我们细胞中的酶修复的,这些酶可以修复这些突变,消除错误,保持基因组的完整性。其中一种DNA修复酶起着一种分子剪刀的作用,可以在损伤点切割DNA,并解决事情出错时可能形成的缠结。为了将DNA编码恢复到之前的状态并且不产生突变,这必须具有很高的特异性。 a)含有Mus81(青)-Eme1(粉红色)结合到3'侧翼DNA的复杂结构。待切割的DNA链以黄色显示,5'末端(橙色)显示在5'结合袋(蓝色虚线圆圈)中,互补DNA链显示为绿色。楔形显示为黑色虚线圆圈。 b)1a的90°旋转视图。在楔的左侧和右侧,5'末端连接链的5'连接处和待切断的链的3'末端分别位于5'末端连接袋和活性位点处。

来自浦项科技大学(韩国)和阿贡国家实验室的研究人员利用美国能源部在阿贡国家实验室的先进光子源(APS)和韩国浦项加速器实验室的大分子结晶学解决了这些分子剪切蛋白之一的结构称为Mus81-Eme1,与DNA复合。他们的分析揭示了酶识别,定位和切割DNA的优雅方式,然后确保两端避免新的纠结。他们的工作进一步深化了我们对DNA修复机制的理解,并对生殖,癌症和衰老等领域产生了积极影响。

大部分已被发现影响寿命的基因都参与DNA修复。如果破坏和其他DNA损伤不能修复,疾病可能是由于对正常基因表达和对生命至关重要的细胞分裂功能的不利影响造成的。

一种参与DNA修复的酶是一种称为核酸内切酶的分子剪刀。 Mus81-Eme1是结构选择性核酸内切酶家族之一,负责解决DNA损伤导致的复杂DNA重叠。这些重叠或襟翼有两种不同的口味,5'和3'(根据DNA说法,发音为“5-prime”和“3-prime”),这取决于发生DNA断裂的方向。

在这项研究中的研究人员对Mus81-Eme1核酸内切酶为什么只识别3'皮瓣而不是5'皮瓣感兴趣。

为了研究这一点,他们结合了Mus81-Eme1复杂与小片断与3'或5'皮瓣和收集衍射数据的晶体在结构生物学中心协作访问团队X射线束线19-ID -D在APS,在浦项加速器实验室。

正如人们所期望的那样,一种具有重要的基本DNA修复功能的酶,Mus81-Eme1能够以优雅和精确的方式工作。研究小组将Mus81-Eme1的结构与一个5'皮瓣DNA和两个3'皮瓣DNA进行比较。 5'瓣结构显示DNA可以结合Mus81-Eme1,但是结合不会导致DNA的切割。分析3'瓣结构揭示了为什么。

当Mus81-Eme1与3'皮瓣DNA结合时,会发生戏剧性的形态变化,从紧凑的结构转变为更开放的结构(见图)。这揭露了一个蛋白质域,作为一个楔子,以保持两个切割的两端分开。没有被切断的那一端,5'端,通过一个专门的装订口袋保持在原地,以保持这一端远离行动。

接下来,Mus81-Eme1弯曲DNA以将3'末端定位在活性位点中。在生物化学上,5'皮瓣不起作用,因为自由3'末端不能正确地装入结合口袋中,所以DNA不会弯曲以将5'末端置于活性部位。

该团队通过两种方式验证了他们的模型。首先,他们证实了基于结构模型预测的Mus81-Eme1突变体中酶活性的降低。其次,在用荧光标记标记DNA两端的实验中,加入Mus81-Eme1导致DNA的两端靠近, 支持在结构中观察到的弯曲形成。

接下来是什么?

由于内切核酸酶如Mus81-Eme1负责修复一些最复杂的DNA损伤类型,当这些修复因核酸内切酶故障而不能修复时,就会发生严重的发育和遗传疾病。研究小组下一步将研究这个核酸内切酶家族的其他成员的结构,包括参与一种称为Fanconi贫血的疾病的结构,以便为治疗这些疾病提供一个框架。

来源:ANL