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PNAS:DNA錯配修復蛋白如何運作?

日期:2015-08-25 09:12:06

 最近,來自美國北卡羅來納州立大學(NC State)和北卡羅來納大學教堂山分校(UNC-Chapel Hill)的研究人員,解開了“在DNA復制過程中,兩個重要的DNA錯配修復蛋白如何知道去哪里尋找錯誤,以及它們如何互相協作,用信號通知身體的修復機制”。相關研究結果發表在八月十七日的《PNAS》雜志。延伸閱讀:科學家解開DNA修復的謎團。

 

當一個細胞準備分裂時,DNA首先分裂,雙螺旋“解壓縮”成為兩個單獨的主干。新的核苷酸——腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤或胸腺嘧啶,被填充到主干另一邊的缺口中,與它們的對應物配對(腺嘌呤和胸腺嘧啶,鳥嘌呤和胞嘧啶),并為舊的和新的細胞復制DNA。大部分時間核苷酸是正確匹配的,但偶爾(在一百萬次中約有一次)會發生一次錯配。

 

幸運的是,我們的身體有一個檢測并修復這些錯配的系統——一對蛋白質稱為MutSMutL。在DNA復制后,MutS沿DNA鏈新建的一側滑動,并校對它。當它找到一個錯配時,它鎖定到錯配位點,并招募MutL到來并結合它。MutL在新合成的DNA鏈中產生一個缺口,將其標記為缺陷,并用信號通知不同的蛋白,吞噬包含錯誤的那部分DNA。然后,核苷酸匹配重新開始填補空缺。整個過程可減少約一千倍的復制錯誤,作為我們身體的最佳防御,防范基因突變及其可能導致的問題(如癌癥)。

 

本文共同作者、NC State物理學教授Keith Weninger指出:“每種生物都用這個過程用于DNA復制和修復,我們知道組件是什么,但是有一些關鍵的機制,還不是很清楚。例如,當DNA被修復時,它只發生在DNA鏈的新部分,而不是舊的模板。為了擺脫有缺陷的部分,蛋白質知道用哪種方式沿鏈移動。這里發生了溝通,但是關于它是如何運作的,仍然存在爭議。”

 

科學家知道,一種名為PCNA的蛋白質,在這種溝通中起著重要的作用。PCNA位于DNA分裂的位點,其在該位點上的物理定位表明了一段DNA鏈的哪一部分是新的。這被稱為鏈辨別信號MutLMutL以某種方式與這個信號相互作用,從而使MutL在鏈的適當部位產生缺口,并表明需要修復。科學家們對這種溝通提出了三種模型:MutSMutL蛋白結合形成一種夾鉗,滑向PCNA,并與信號相互作用,從而標志著它們沿著滑動的區域需要刪除;或者它們在DNA上產生一個折疊,并將PCNA“拉向”它們,達到同樣的效果;或者MutL以某種方式覆蓋在缺陷區,發信號修復。

 

Weninger,連同本文共同作者、來自UNC-Chapel HillDorothy Erie一起,想要確定最有可能的那種溝通方法。利用單分子熒光方法——可讓研究人員一次看到一個蛋白質沿一段DNA片段移動,他們發現,當MutS找到一處錯誤時,它就會改變形狀,這種方式讓它與MutL結合,使它保持在錯配的位點。然后,MutL改變其形狀,以“抓住”另一個MutL,以此類推,從而覆蓋一條鏈的有缺陷部分,并在需要修復的區域產生缺口。換句話說,WeningerErie和他們的同事們發現,第三種模型是正確的。

 

Weninger說:“這個系統,對于維持基因組的穩定性,是必不可少的。我們知道所有的參與因子,以及這個過程的開始和結束,但這項工作填補了一個完全未知的中間步驟,非常不同于有些人想象的。”

 

他繼續說:“我們也知道,MutSMutL蛋白的突變,與非常特異性的癌癥有關。但是,如果我們想要弄清楚缺陷是如何導致疾病的,我們首先必須了解這些蛋白質是如何正常工作的。這項研究朝向這一理解的又一步。”

 


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