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修復(fù)人類DNA損傷 科學(xué)家從植物中找到新線索

www.kjdzwh.cn  2019-11-06 15:51  

  來源:科技日報(bào)

  生物體包括我們?nèi)祟惷刻於紩艿阶贤饩輻射,太早吉他譜自由基和其他化學(xué)物質(zhì)的誘變,造成體內(nèi)遺傳物質(zhì)DNA的損傷。在DNA損傷修復(fù)的過程中,沉醉何歡涼會形成一種十字叉狀的DNA連接體——霍利迪連接體,必須將其“拆解”,才能讓染色體正確分離和復(fù)制。然而目前,對于負(fù)責(zé)“拆解”工作的解離酶,科學(xué)界還未能揭開其背后隱藏的工作機(jī)制。

  近日,福州大學(xué)生物藥光動力治療技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心林忠輝教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在國際期刊《自然·化學(xué)生物學(xué)》上的一項(xiàng)研究,似乎找到了新線索。該課題組以植物葉綠體中的一個(gè)霍利迪連接體解離酶——MOC1為研究對象,首次揭示了MOC1的催化機(jī)制,對其他種屬M(fèi)OC1懸而未決的底物特異性識別機(jī)制提供了重要啟示,為探索人類的DNA損傷修復(fù)機(jī)制提供重要線索。

  解離酶對于DNA的識別方式尚不清楚

  “DNA是一種雙螺旋狀的生物大分子。組成這種雙螺旋的基本單元——堿基對,猶如鐵道上的一根根枕木,在受到外界電磁輻射,自由基以及各種化學(xué)物質(zhì)的誘變下,堿基會發(fā)生交聯(lián),斷裂以及結(jié)構(gòu)上的改變,從而造成DNA的損傷。”林忠輝補(bǔ)充說,此外,即使沒有外界因素干擾,細(xì)胞自身在進(jìn)行DNA復(fù)制過程中也會產(chǎn)生一定概率的錯(cuò)誤。

  林忠輝指出,DNA損傷后如果未能及時(shí)修復(fù)會促使機(jī)體的遺傳信息發(fā)生改變即基因突變,從而引發(fā)個(gè)體生理以及性狀的改變甚至死亡。對于人體而言,基因突變會導(dǎo)致先天畸形和癌癥。例如,在目前所發(fā)現(xiàn)的所有惡性腫瘤中,電臺情歌吉他譜有50%以上癌細(xì)胞攜帶抑癌基因p53的突變。

  然而即便如此,為什么絕大部分生物體仍然可以維持其基因組的穩(wěn)定性而正常生存呢?研究發(fā)現(xiàn),原來機(jī)體內(nèi)擁有一套保衛(wèi)系統(tǒng)能夠時(shí)刻監(jiān)視并修復(fù)著DNA。

  霍利迪連接體在當(dāng)中扮演著十分重要的角色,它由英國分子生物學(xué)家羅賓·霍利迪于1964年首次發(fā)現(xiàn),是機(jī)體在進(jìn)行DNA同源重組損傷修復(fù)過程中,由損傷DNA與模板DNA交叉所形成的一種十字叉狀的DNA連接體。

  “在DNA損傷修復(fù)完成后,必須在MOC1的作用下解離,從而促使兩條同源DNA雙鏈分開重新成為線性DNA。”林忠輝解釋說,因此,MOC1是包括噬菌體,細(xì)菌,真菌,植物乃至動物等細(xì)胞正常生長和穩(wěn)定遺傳所必需的一個(gè)關(guān)鍵酶,對于一個(gè)完整的DNA損傷修復(fù)過程具有十分重要的作用。

  已有的研究表明,MOC1能夠區(qū)分線性,三叉以及十字叉等不同形狀的DNA,并能特異地與霍利迪連接體相結(jié)合。此外,絕大多數(shù)MOC1對于DNA序列的選擇“要求”十分嚴(yán)苛。

  “底物DNA序列上的微小差異,甚至是一個(gè)堿基的不同,將會導(dǎo)致其催化效率上的巨大差別!绷种逸x說,然而,目前為止,人們關(guān)于MOC1對底物選擇性的分子機(jī)制并不清楚,從而阻礙了我們對MOC1乃至整個(gè)DNA損傷修復(fù)過程的進(jìn)一步了解。

  三維結(jié)構(gòu)揭示MOC1獨(dú)特功能

  科技日報(bào)記者了解到,針對上述問題,林忠輝團(tuán)隊(duì)以植物葉綠體中的MOC1為研究對象,首先通過一系列生化實(shí)驗(yàn)確定了MOC1特異的DNA底物序列,芭比做披薩隨后利用X-射線晶體學(xué)的方法解析了MOC1蛋白及其與DNA底物形成的復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。

  “這些晶體結(jié)構(gòu)表明,MOC1蛋白在三維結(jié)構(gòu)上與噬熱菌RuvC具有高度的相似性,進(jìn)一步證明了葉綠體是起源于光合細(xì)菌的內(nèi)共生學(xué)說!绷种逸x說,研究還揭示了MOC1蛋白擁有獨(dú)特的能力,仿佛一雙手將MOC1的“腰部”擁抱,而MOC1對DNA序列的特異識別則通過一個(gè)保守的堿基識別基序?qū)崿F(xiàn)。

  此外,該研究還發(fā)現(xiàn)MOC1的活性中心能同時(shí)結(jié)合兩個(gè)金屬離子,在催化上依賴于雙金屬離子催化機(jī)制。該大學(xué)李金宇教授課題組隨后通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn),MOC1對序列的識別和選擇,地陷裂口與金屬離子的配位之間存在著緊密的關(guān)系。

  記者了解到,該研究結(jié)合了結(jié)構(gòu)生物學(xué),地陷裂口計(jì)算生物學(xué)和生物化學(xué)等研究手段,不僅揭示了MOC1的催化機(jī)制,更為重要的是,還針對關(guān)于核酸酶如何將DNA序列上的微小差異轉(zhuǎn)化為其催化活性上的巨大不同這一科學(xué)問題,創(chuàng)新性地提出了一種雙金屬離子輔助的DNA序列特異選擇性機(jī)制。

  “盡管本研究的內(nèi)容所針對的是植物MOC1,但由于MOC1催化機(jī)制在包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的動物體中均十分相似,因此,該研究成果也將為探索人類的DNA損傷修復(fù)機(jī)制提供重要線索,并期望最終為攻克相關(guān)的人類疾病提供一定的理論基礎(chǔ)!绷种逸x說。

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