近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子模擬與設(shè)計(jì)研究組研究員李國(guó)輝團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院教授雷鳴、教授武健團(tuán)隊(duì)合作，在揭示人類端粒DNA合成關(guān)鍵分子機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展。
端粒是位于真核生物染色體末端的DNA—蛋白復(fù)合體，用于保護(hù)染色體在細(xì)胞分裂過(guò)程中的完整性。端粒的DNA會(huì)隨著細(xì)胞的每次分裂而逐漸縮短，一旦染色體末端端粒DNA消化殆盡，染色體將被降解或發(fā)生融合，細(xì)胞則會(huì)立即啟動(dòng)凋亡機(jī)制。因此，端粒被認(rèn)為與細(xì)胞衰老密切相關(guān)，是人類抗衰老研究的重點(diǎn)。
大連化物所揭示人類端粒DNA合成關(guān)鍵分子機(jī)制
在細(xì)胞分裂的過(guò)程中，端粒酶也將被同時(shí)激活用于合成端粒DNA，以補(bǔ)償端粒在該過(guò)程中的損失。人類端粒酶是一種具有逆轉(zhuǎn)錄酶活性的多亞基核糖核蛋白復(fù)合物，其功能缺失與人類多種端粒綜合癥有關(guān)，例如先天性角化不良（dyskeratosis congenita, DC）和小腦發(fā)育不全綜合癥（Hoyrara Hreidarsson syndrome，HHS）等。在傳統(tǒng)逆轉(zhuǎn)錄酶合成DNA的過(guò)程中，引物DNA與RNA模版至少要保持6個(gè)以上堿基配對(duì)才能夠開(kāi)啟DNA合成活性；而人類端粒酶僅需要3個(gè)堿基配對(duì)即可維持其端粒DNA的合成活性。
為了闡明上述重要過(guò)程的分子機(jī)理，本工作中，雷鳴和武健團(tuán)隊(duì)通過(guò)單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了人類端粒酶全酶與端粒DNA引物和RNA模版雜合雙螺旋的復(fù)合體結(jié)構(gòu)。結(jié)合這些結(jié)構(gòu)信息及李國(guó)輝團(tuán)隊(duì)深入的理論研究發(fā)現(xiàn)，人類端粒酶催化亞基中關(guān)鍵氨基酸Leu980在控制DNA-RNA雜合雙螺旋配對(duì)長(zhǎng)度調(diào)控方面具有關(guān)鍵作用。Leu980扮演著類似拉鏈頭的作用，使底物DNA-RNA雜合雙螺旋相對(duì)分離，且僅保持3個(gè)堿基配對(duì)的雜合狀態(tài)。理論研究表明，將Leu980突變成Gly，可使DNA-RNA雜合雙螺旋形成更緊密的6堿基配對(duì)構(gòu)象。后續(xù)生化實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Leu980Gly的突變將嚴(yán)重影響人類端粒酶持續(xù)和穩(wěn)定的DNA合成能力。同時(shí)，理論方面動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)信息分析表明，人類端粒酶中負(fù)責(zé)穩(wěn)定雜合雙螺旋底物兩端手指結(jié)構(gòu)域的反向協(xié)同構(gòu)象互作，是端粒酶行使功能的重要結(jié)構(gòu)特征。該工作為人類端粒酶重復(fù)合成端粒DNA的深入研究提供新的思路。
相關(guān)成果以“Zipper Head Mechanism of Telomere Synthesis by Human Telomerase”為題，于近日發(fā)表在《細(xì)胞研究》（Cell Research）上。該工作的共同第一作者是上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院萬(wàn)福堂博士后、中科院上海生化與細(xì)胞研究所丁勇博博士、大連化物所張躍斌副研究員、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院吳振芳副教授。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
