福州大学解析叶绿体解离酶特异剪切DNA底物的分子机制

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2019年10月14日,来自福州大学的林忠辉教授研究团队在Nature Chemical Biology上在线发表了题为Structural Basis of Sequence-specific Holliday Junction Cleavage by MOC1的研究论文,揭示了MOC1特异识别和切割DNA底物的分子机制。

该研究首先通过一系列生化实验取舍了MOC1特异的DNA底物序列,以后利用X-射线晶体学的最好的土办法解析了来自玉米(Zea mays)的MOC1蛋白及其与DNA底物在不同金属离子条件下分辨率高达1.68 Å的复合物晶体特性。什么晶体特性表明,MOC1蛋白在三维特性上与噬热菌Thermus thermophilus RuvC具有层厚之类于性,进一步证明了叶绿体是起源于光合细菌的内共生学说。此外,MOC1蛋白还拥有其独特的β-hairpin基序,仿佛一双手将HJ DNA的“腰部”拥抱。另外,研究还揭示了MOC1对DNA序列5’-C2C1↓C0-3’的特异识别是通过三个白 保守的碱基识别基序(Base Recognition Motif,BRM)而实现的。BRM上的三个白 苯丙氨酸通过π-π作用与C2和C1形成“三明治夹层”构象,从而诱导C1-G1′碱基对分开并使G1′地处碱基翻转(Base flipping),而C1则与BRM上的天冬氨酸侧链形成伪碱基对(pseudobase-pair)。此外,该研究还发现MOC1的活性中心能同時 结合三个白 金属离子,在催化上依赖于双金属离子催化机制(Two-metal ion catalysis)。

图1. MOC1与HJ的复合物晶体特性

有意思的是,在催化中心,与金属离子配位的其含三个白 氨基酸残基正好地处BRM的N端,提示MOC1对序列的特性识别与金属离子的配位之间不可能 相互关联。为了证明这个推测,公司协作 者李金宇课题组进行了分子动力学模拟,发现当MOC1与非 特性DNA底物结合时,BRM会地处构象变化,从而有助金属离子与催化中心的配位地处帕累托图,进而因为MOC1酶活性减弱甚至丧失。

图2. 分子动力学模拟揭示DNA底物序列不同引起金属离子配位的变化

总之,该研究结合了特性生物学、计算生物学和几瓶的生化数据不仅在原子水平上揭示了HJ解离酶——MOC1的催化机制,否则对RuvC家族悬而未决的底物特异性识别机制也提供了重要的启示。更为重要的是,该研究针对关于核酸酶怎么将DNA序列上的微小差异转化成为其催化活性上的巨大不同这个科学大疑问,创新性地提出了有四种 双金属离子辅助的DNA序列特异取舍性机制。

据悉,福州大学化专学 院林忠辉教授、黄明东教授和李金宇教授为该论文同時 通讯作者,博士生林华建、科研助理张丹萍和左柯为同時 第一作者,其中林华建由林忠辉教授和黄明东教授同時 指导。袁彩副教授参与了晶体特性的修正工作。

林忠辉课题组成员

研究背景

Holliday junction(HJ)是英国分子生物学家Robin Holliday于1964年首次发现,是在DNA同源重组损伤修复过程中形成的有四种 十字叉状的DNA连接体,在噬菌体、细菌、真菌、植物乃至动物细胞中均地处。在DNA损伤修复完成后,HJ前要在HJ解离酶的作用下解离,从而有助两条同源DNA双链分开重新成为线性DNA。

MOC1(monokaryotic chloroplast 1)是三个白 叶绿体特异的HJ解离酶。叶绿体拥有本人的一套基因组,也能独立进行基因的表达和翻译。不可能 叶绿体是光公司协作 用的场所,其DNA(cpDNA)被暴露于高水平的活性氧中,尤其容易地处DNA双链断裂等损伤,否则很糙前要包括MOC1在内的DNA损伤修复蛋白以确保其基因组的稳定性。与其它已报道的HJ解离酶相比,MOC1对底物的取舍性更强,它专一性地剪切具有十字叉特性否则在十字叉中心含高5’-T/CC↓C-3’序列(↓代表切割位点)的HJ-DNA。没办法 ,MOC1蛋白在三维特性上究竟具有什么独特的特性,使其对底物识别和剪切具有没办法 专一的取舍性呢?另外,尽管HJ解离酶与HJ-DNA的结合是非序列特异性的,否则在催化活性上,底物DNA序列上的微小差异(甚至是三个白 碱基的不同)不可能 因为其催化时延上的巨大差别(>50倍),这其中又隐藏着什么特殊的催化调控机制呢?