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生態中心在DNA損傷修復研究方面取得進展

來源:生態環境研究中心 作者: 2017-1-23

摘要: 環境污染等多種外源和內源因素可引起遺傳信息載體DNA雙鏈的斷裂,而斷裂的DNA雙鏈可部分轉化為單鏈DNA。RecA/Rad51家族蛋白可在單鏈DNA部分組裝形成核蛋白絲,并通過快速、準確識別同源雙鏈DNA(dsDNA)模板介導鏈交換過程,進而實現對DNA雙鏈斷裂的同源重組修復。但是,長期困擾人們的是:1)已知的拉伸、欠旋的核蛋白絲......


環境污染等多種外源和內源因素可引起遺傳信息載體DNA雙鏈的斷裂,而斷裂的DNA雙鏈可部分轉化為單鏈DNARecA/Rad51家族蛋白可在單鏈DNA部分組裝形成核蛋白絲,并通過快速、準確識別同源雙鏈DNAdsDNA)模板介導鏈交換過程,進而實現對DNA雙鏈斷裂的同源重組修復。但是,長期困擾人們的是:1)已知的拉伸、欠旋的核蛋白絲結構由于其固有的剛性,如何能滿足在大量非同源DNA并存且結構復雜的基因組中快速尋找到僅有1-2拷貝的同源DNA序列?2)這種結構主要是通過消除和抑制ATP水解而獲得,但是在生理條件下核蛋白絲中的RecA可催化水解ATP,并導致一定的RecA解離。因此,在生理條件下又如何能保證核蛋白絲結構的完整性?

中國科學院生態環境研究中心環境化學與生態毒理學國家重點實驗室汪海林研究組利用研制的毛細管電泳-激光誘導熒光偏振裝置,發展了研究RecAssDNA上動態組裝的分析新方法,可以快速捕獲并分離溶液中形成的各種RecA核蛋白絲組裝體。另外,通過獨特的設計可防止RecA的解離,因此可在快速分離過程中有效保存已被捕獲的RecA核蛋白絲。通過其電泳遷移行為的差異,可以準確測量其結合計量學。

利用這種新分析方法,他們發現,在生理條件下RecAssDNA上組裝主要形成低密度、不飽和的核蛋白絲組裝體,其中超過一半的DNA并未結合RecA蛋白,即裸露的。在線熒光偏振分析、電鏡成像分析、酶切保護性分析等一致證明了這一結果。體外鏈交換反應實驗表明,低密度、不飽和的核蛋白絲是介導鏈交換反應的關鍵組裝體;相應地,多個ATP水解活性缺失的RecA突變體僅形成高密度核蛋白絲(缺少裸露的DNA部分)并不能介導鏈交換反應。為了考察這一機制是否存在于活體內,他們利用綠色熒光蛋白基因和一種稀有的DNA內切酶基因,設計了一套精密的活體同源重組修復報告體系。利用這套活體報告體系,他們發現RecAP67DP67E體外僅形成低密度、不飽和的核蛋白絲組裝體,在活體內可有效地介導同源重組修復。相反地,RecA P67RP67KP67Y擁有ATP水解酶活性,但不能形成低密度核蛋白絲組裝體,難以介導活體同源重組修復。

該組通過一系列體外和活體實驗,證明了介導同源重組修復的核蛋白絲的基本結構是由RecA蛋白通過ATP水解有限組裝到單鏈DNA上形成的不飽和核蛋白絲組裝體。這一發現是對傳統同源重組修復的關鍵核蛋白絲組裝體基礎結構認識的一個重要改變,為深入理解同源重組修復機制提供理論依據。

研究成果在線發表于《細胞發現》ATPase activity tightly regulates RecAnucleofilaments to promote homologous recombination, Cell Discoverydoi:10.1038/celldisc.2016.53)。該研究得到了中科院先導專項B、國家自然科學基金委的資助。



RecA利用其本身ATP酶水解活性緊密調控RecAssDNA上的組裝,進而形成多種組裝體結構,包括飽和、高密度核蛋白絲、中密度和低密度的不飽和核蛋白絲



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