修復(fù)人類DNA損傷 科學(xué)家從植物中找到新線索

生物前沿

生物體包括我們?nèi)祟惷刻於紩?huì)受到紫外線輻射、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，會(huì)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(duì)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(dòng)力治療技術(shù)國(guó)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(guó)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(duì)象，首次揭示了MOC1的催化機(jī)制，對(duì)其他種屬M(fèi)OC1懸而未決的底物特異性識(shí)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(duì)于DNA的識(shí)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(duì)，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(huì)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?！绷种逸x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(huì)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(huì)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(duì)于人體而言，基因突變會(huì)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，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(guó)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(dòng)物等細(xì)胞正常生長(zhǎng)和穩(wěn)定遺傳所必需的一個(gè)關(guān)鍵酶，對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)底物選擇性的分子機(jī)制并不清楚，從而阻礙了我們對(duì)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?qǐng)?bào)記者了解到，針對(duì)上述問題，林忠輝團(tuán)隊(duì)以植物葉綠體中的MOC1為研究對(duì)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，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。”林忠輝說，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(duì)DNA序列的特異識(shí)別則通過一個(gè)保守的堿基識(shí)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(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，MOC1對(duì)序列的識(shí)別和選擇，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)、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(duì)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(duì)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(dòng)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)。”林忠輝說。(記者 謝開飛 通訊員 許曉鳳)