Nature:最新發現一類DNA修復酶
日期:2015-11-02 08:57:32
今年的諾貝爾化學獎頒給了三位科學家們,以表彰他們在DNA修復的細胞機制方面的研究。十月二十八日在《Nature》雜志上發表的一項最新研究,發現了一類新的DNA修復酶。
當科學家們首次發現DNA的結構時,認為它的化學性質是極其穩定的,這使得它可以作為基因藍圖,將父母的基本特征傳遞給其后代。盡管這一觀點在公眾當中仍然很流行,但生物學家們了解到,雙螺旋結構實際上是一種高反應性的分子,它不斷地被破壞,細胞必須不斷地修復,以保護它所包含的基因信息。
這項研究的負責人、范德堡大學生物科學和生物化學副教授Brandt Eichman說:“這是一把雙刃劍。如果DNA太過反應性,那么它就不能儲存遺傳信息。但是,如果它過于穩定,那么它就不允許生物體進化。”
DNA雙螺旋就像一架螺旋形梯子,糖和磷酸猶如梯子的兩道扶手,支撐兩側。梯子的橫檔由相互交替的堿基對組成。在細胞分裂的過程中,DNA的兩股螺旋梯會從中分來,以原來的堿基對序列為模版制造出一模一樣的新梯狀結構。通過這種方式,遺傳信息便可傳遞給后代。
DNA損傷或病變有兩個基本來源:環境來源,包括紫外線、有毒化學品和電離輻射;內部來源,包括一些細胞自己的代謝物(在正常代謝過程中產生的化學物質)、活性氧,甚至水。
本文第一作者、Eichman實驗室博士后Elwood Mullins指出:“每天,人體的每個細胞中都會發生超過10000個DNA損傷事件,必須進行修復才能使DNA正常發揮作用。”
新發現的DNA修復酶是一種DNA糖基化酶,DNA糖基化酶是由Tomas Lindahl發現的一個酶家族,他獲得了今年的諾貝爾化學獎,承認這些酶可通過一個稱為堿基切除修復的過程去除受損的DNA堿基。這是目前生物學家已經確定的10個不同的基因修復途徑中的第一個。
在堿基切除修復過程中,一個特定的糖基化酶分子在病變位置與DNA結合,并使雙螺旋彎曲,這種方式會使受損的堿基從螺旋內部內翻轉到外部。這種酶安裝在翻轉堿基的周圍,并將其固定在一個位置,將其鏈接暴露于DNA的糖骨干,從而使酶與它分離。在損壞的堿基被移除后,其他的DNA修復蛋白進入,并用一個原始堿基取代它。
Eichman及其合作者發現,在蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus,一種土壤寄居菌,可引起一種稱為炒飯綜合征的食物中毒)中發現的一個糖基化酶AlkD,可以一種完全不同的方式起作用。它不需要堿基翻轉來識別受損的DNA或修復它。
七年前,Eichman的研究小組發現,AlkD有一種不同于其他糖基化酶的結構。研究人員確定,這種酶能夠找到帶正電荷的受損DNA。這是烷基化的簽名,將不同長度的碳氫原子鏈(甲基、乙基等)附著在受損堿基的特定位置上。帶正電荷的烷基化堿基,是最豐富的和最有害的DNA損傷。然而,它們是高度不穩定的,這使得它們很難研究。
現在,研究人員在烷基化損傷切除的時候,捕獲到了AlkD的結晶快照,并表明這種酶不使用堿基翻轉。他們確定,相反,AlkD與DNA骨架和周圍病變形成一系列的相互作用,病變仍堆放在雙螺旋中。幾個這樣的相互作用,是由催化受損堿基切割的酶當中的三個氨基酸引起的。
根據研究人員介紹,AlkD有幾個卓越性能:
•它可以間接地識別受損堿基。AlkD通過與DNA骨干相互作用來確定病變,本身不接觸受損的堿基。
•只要它們是帶正電荷的,就可以修復許多不同類型的病變。相比之下,其他糖基化酶使用的堿基翻轉機制,依賴于這種酶當中一種相對緊密結合的口袋,所以每種糖基化酶被設計成只對有限數量的病變起作用。AlkD沒有同類型的口袋,所以不限制于相同的方式。相反,AlkD使用的催化機制,只限于去除帶正電的病變。
•它能比其他糖基化酶切除更龐大的病變。堿基切除修復一般僅限于相對較小的病變。一種不同的途徑,稱為核苷酸切除修復,可處理較大的病變,如紫外線輻射損傷所造成的病變。然而,Eichman的團隊發現,AlkD可以切除非常龐大的病變,如由抗生素yatakemycin引起的病變,這超出了其他糖基化酶的能力。
研究人員表示:“我們的研究顯示,關于DNA修復我們仍然有很多需要了解的地方,而且還可能有其他的修復途徑有待于我們發現。這的確表明,可以用我們認為不可能的方式去除更大范圍的DNA損傷。細菌用其作為自己的優勢,來保護自己免受它們生產的抗菌劑。人類甚至可能具有以類似方式運作的DNA修復酶,以消除復雜類型的DNA損傷。這可能也有臨床意義,因為這些酶——如果它們存在,可能會降低某些藥物的有效性,這些藥物旨在通過關閉癌細胞復制的能力來殺死它們。”
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