修复DNA损伤,科学家从植物中找到新线索并揭示了解离酶背后的催化机制

2019-11-06 08:55:36     来源:科技日报

生物体包括我们人类每天都会受到紫外线辐射、自由基和其他化学物质的诱变,造成体内遗传物质DNA的损伤。在DNA损伤修复的过程中,会形成一种十字叉状的DNA连接体———霍利迪连接体,必须将其“拆解”,才能让染色体正确分离和复制。然而目前,对于负责“拆解”工作的解离酶,科学界还未能揭开其背后隐藏的工作机制。


近日,福州大学生物药光动力治疗技术国家地方联合工程研究中心林忠辉教授研究团队发表在国际期刊《自然·化学生物学》上的一项研究,似乎找到了新线索。该课题组以植物叶绿体中的一个霍利迪连接体解离酶——MOC1为研究对象,首次揭示了MOC1的催化机制,对其他种属MOC1悬而未决的底物特异性识别机制提供了重要启示,为探索人类的DNA损伤修复机制提供重要线索。


解离酶对于DNA的识别方式尚不清楚


“DNA是一种双螺旋状的生物大分子。组成这种双螺旋的基本单元——碱基对,犹如铁道上的一根根枕木,在受到外界电磁辐射、自由基以及各种化学物质的诱变下,碱基会发生交联、断裂以及结构上的改变,从而造成DNA的损伤。”林忠辉补充说,此外,即使没有外界因素干扰,细胞自身在进行DNA复制过程中也会产生一定概率的错误。


林忠辉指出,DNA损伤后如果未能及时修复会促使机体的遗传信息发生改变即基因突变,从而引发个体生理以及性状的改变甚至死亡。对于人体而言,基因突变会导致先天畸形和癌症。例如,在目前所发现的所有恶性肿瘤中,有50%以上癌细胞携带抑癌基因p53的突变。


然而即便如此,为什么绝大部分生物体仍然可以维持其基因组的稳定性而正常生存呢?研究发现,原来机体内拥有一套保卫系统能够时刻监视并修复着DNA。


霍利迪连接体在当中扮演着十分重要的角色,它由英国分子生物学家罗宾·霍利迪于1964年首次发现,是机体在进行DNA同源重组损伤修复过程中,由损伤DNA与模板DNA交叉所形成的一种十字叉状的DNA连接体。


“在DNA损伤修复完成后,必须在MOC1的作用下解离,从而促使两条同源DNA双链分开重新成为线性DNA。”林忠辉解释说,因此,MOC1是包括噬菌体、细菌、真菌、植物乃至动物等细胞正常生长和稳定遗传所必需的一个关键酶,对于一个完整的DNA损伤修复过程具有十分重要的作用。


已有的研究表明,MOC1能够区分线性、三叉以及十字叉等不同形状的DNA,并能特异地与霍利迪连接体相结合。此外,绝大多数MOC1对于DNA序列的选择“要求”十分严苛。


“底物DNA序列上的微小差异,甚至是一个碱基的不同,将会导致其催化效率上的巨大差别。”林忠辉说,然而,目前为止,人们关于MOC1对底物选择性的分子机制并不清楚,从而阻碍了我们对MOC1乃至整个DNA损伤修复过程的进一步了解。


三维结构揭示MOC1独特功能


科技日报记者了解到,针对上述问题,林忠辉团队以植物叶绿体中的MOC1为研究对象,首先通过一系列生化实验确定了MOC1特异的DNA底物序列,随后利用X-射线晶体学的方法解析了MOC1蛋白及其与DNA底物形成的复合物的晶体结构。


“这些晶体结构表明,MOC1蛋白在三维结构上与噬热菌RuvC具有高度的相似性,进一步证明了叶绿体是起源于光合细菌的内共生学说。”林忠辉说,研究还揭示了MOC1蛋白拥有独特的能力,仿佛一双手将MOC1的“腰部”拥抱,而MOC1对DNA序列的特异识别则通过一个保守的碱基识别基序实现。


此外,该研究还发现MOC1的活性中心能同时结合两个金属离子,在催化上依赖于双金属离子催化机制。该大学李金宇教授课题组随后通过分子动力学模拟发现,MOC1对序列的识别和选择,与金属离子的配位之间存在着紧密的关系。


记者了解到,该研究结合了结构生物学、计算生物学和生物化学等研究手段,不仅揭示了MOC1的催化机制,更为重要的是,还针对关于核酸酶如何将DNA序列上的微小差异转化为其催化活性上的巨大不同这一科学问题,创新性地提出了一种双金属离子辅助的DNA序列特异选择性机制。


“尽管本研究的内容所针对的是植物MOC1,但由于MOC1催化机制在包括我们人类在内的动物体中均十分相似,因此,该研究成果也将为探索人类的DNA损伤修复机制提供重要线索,并期望最终为攻克相关的人类疾病提供一定的理论基础。”林忠辉说。


关于DNA:


脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,缩写为DNA)又称去氧核糖核酸,是一种最重要的生命基础分子,可组成遗传指令,以引导生物遗传、生物发育与生命机能运作。


修复DNA损伤,科学家从植物中找到新线索并揭示了解离酶背后的催化机制


主要功能是长期性的信息储存,可比喻为“蓝图”或“食谱”。其中包含的信息,是建构细胞内其他化合物的最终源头。带有遗传信息的DNA片段称为基因,其他的DNA序列,有些直接以自身构造发挥作用,有些则参与调控遗传信息的表达。DNA是一种长链聚合物,其基本组成单位称为核苷酸,其中的脱氧核糖与磷酸借由酯键相连,组成DNA长链的骨架。每个糖单位都会与某一种碱基相连,组成生物界DNA的碱基主要有四种,分别称为A、T、C、G,这些碱基沿着DNA长链排列,形成的序列,即是遗传信息,用以指导RNA的合成,进而指导蛋白质的合成。

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