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《自然》上新!美国西北大学何源团队揭示DNA非同源末端连接修复的结构分子机制

已有 667 次阅读 2021-4-15 08:43 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年4月14日晚23时,美国西北大学何源课题组(西北大学博士研究生陈思雨为第一作者)在Nature上发表长文——“Structural basis of long-range to short-range synaptic transition in NHEJ”(非同源末端连接修复中长距至短距DNA连接态转换的结构基础)。


这项研究应用利用单颗粒冷冻电镜技术,找到并解析了NHEJ中两个重要中间步骤的复合体结构,其中一个包含DNAPK,XRCC4,LigIV与XLF,同时两个DNA末端被拉近至间距约115Å(long-range synaptic complex, LR)。在此之后,自磷酸化的DNAPKcs离开修复位点,剩余的NHEJ修复因子(Ku70/80, XRCC4与XLF)将DNA末端排列完整,并在第二个复合体(short-range synaptic complex, SR)中完成DNA修复。


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DNA双链断裂(double-strand break,DSB)是细胞内危害很强的DNA损伤方式,未及时修复的DNA双链断裂与细胞癌变密切相关。非同源末端连接修复(non-homologous end-joining, NHEJ)是细胞内主要的DNA双链断裂修复方式之一。与同源重组不同,由于不需要同源DNA作为修复模版,NHEJ在细胞周期的各个阶段均可修复断裂DNA。NHEJ还参与多样性抗体与T细胞受体的重组过程。


在NHEJ中,DSB末端首先被Ku70/80识别并结合,之后与DNA依赖性蛋白激酶(DNA-PKcs)结合组成DNA-PK复合体,即NHEJ起始复合体(DNAPK)。继而,两个DNAPK将断裂的DNA末端结合,同时招募后续的NHEJ修复因子(XRCC4与XLF)以及DNA连接酶IV(LigIV)将断裂的DNA修复。近二十年来,人们一直在研究这个重要的DNA修复途径,其中重要蛋白的分子结构也陆续被解析,然而,人们仍不清楚这些因子如何相互配合,从而在NHEJ通路中聚合并排列两个断裂的DNA末端,完成DNA修复。


通过不断优化与尝试不同的DNA底物,何源课题组将LR复合体结构分辨率解析至4.6Å,其中DNA-PKcs的分辨率达到4.1Å。利用已有的各蛋白结构,他们搭建了LR复合体包含两个DNAPK复合体、两个XRCC4/LigIV复合体及一个XLF二聚体的模型(图 1)。之前,研究者们一直对NHEJ中参与断裂DNA整合的因子组成有不同的假说,有的认为DNA-PKcs与DNA结合,通过二聚来连接两个断裂DNA末端,其他人则认为XRCC4与XLF可以通过重复聚合形成长链来连接DNA。


何源课题组的LR复合体是第一个包含所有必要NHEJ蛋白与两个DNA末端的复合体结构模型,其中,DNAPK的二聚与XRCC4/XLF的相互作用共同协助,同时对复合体的形成与DNA末端的连接起到了重要作用。对DNA-PKcs多年的研究表明,DNA-PKcs在NHEJ中倾向于磷酸化自身靶点,同时脱离招募它的底物DNA来推动NHEJ进入下一步骤。本研究中的LR复合体结构进一步支持了DNA-PKcs自磷酸化的反式作用机制,即二聚的蛋白在复合体中相互磷酸化,保证NHEJ的进行过程包含两个所需的DNA末端。

 

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图1,LR复合体结构的电镜结构。a, LR复合体的冷冻电镜正视 (左) 与俯视 (右)密度图。b, LR复合体在对应视角下的分子结构模型。


在此基础上,何源课题组还将不含DNA-PKcs,柔性更强的SR复合体重组并解析至约7Å分辨率(图 2)。尽管SR复合体并不包含DNA-PKcs,但其它NHEJ因子的整体结构与相互接触表面并未大幅变动。相应地,Ku70/80与XRCC4、XLF的局部构象变化将SR复合体中的DNA末端完整对接,同时一个连接酶IV的催化结构域与复合体中央的DNA末端相互作用,最终将断裂DNA完整连接(视频1)。单独的连接酶IV被认为只能完成一个DNA链的修复循环,因此,SR复合体中的两个连接酶IV催化结构域可以依次与DNA末端结合,分别将两个断裂的单链修复。


有趣的是,DNA-PKcs在离开修复位点后,其暴露的DNA结合区域长度正好与形成稳定SR复合体所需的DNA长度相仿,这也可能解释了DNA-PKcs通过离开DNA底物来辅助SR复合体形成的分子机制。

 

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图2,SR复合体结构的电镜结构。a, SR复合体的冷冻电镜正视 (左) 与俯视 (右)密度图。b, SR复合体在对应视角下的分子结构模型。各蛋白着色与图 1相同。


综合上述发现,何源课题组的这项工作几乎展示了一个完整的NHEJ识别、连接并修复两条断裂DNA的完整途径,为研究者在更加宏观、综合的层面上理解NHEJ提供了新的视角。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03458-7





https://wap.sciencenet.cn/blog-3423233-1282047.html

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