共同在《自然》發文揭示真核生物DNA複製解旋酶高分辨三維結構

2020-12-14 清華大學新聞網

清華大學生命學院高寧研究組與香港科技大學戴碧瓘研究組

共同在《自然》發文揭示真核生物DNA複製解旋酶高分辨三維結構

　　清華新聞網7月31日電 7月29日，清華大學高寧研究組和香港科技大學戴碧瓘教授研究組共同在《自然》（Nature）雜誌上以長文形式在線發表了題為《真核生物DNA複製解旋酶MCM複合物的3.8埃解析度結構》（Structure of the Eukaryotic Minichromosome Maintenance Complex at 3.8  ）的研究論文，首次報導了真核生物DNA複製起始與延伸過程中DNA解旋酶核心組分MCM2-7複合物的3.8 埃高解析度冷凍電鏡結構，並以此為基礎對DNA複製起始時MCM2-7複合物的作用機理進行了分析。

 

MCM2-7雙六聚體複合物高解析度冷凍電鏡結構及中央孔道結構示意圖。梯狀為雙鏈DNA。

　　該論文是清華大學國家蛋白質基礎設施（北京）建立以來，完全利用此平臺進行數據收集及處理而發表的首篇世界頂級雜誌科研論文。《自然》雜誌同期刊發了「News & Views」評論文章重點推薦介紹了這項工作。來自美國匹茲堡大學的DNA複製領域的著名生化學家Schwacha教授指出這項工作的重要之處在於「揭示了DNA複製過程的一個關鍵步驟——雙鏈DNA的初始解鏈——是如何發生的」。

　　遺傳信息載體DNA在細胞內的複製受到嚴格的調控。雙鏈DNA的複製包括解旋和複製兩個過程，複製起始的一個關鍵步驟是DNA解旋酶的結合和激活。MCM2-7複合物負責在DNA複製起始和延伸階段進行雙鏈DNA的解螺旋。DNA複製異常會導致基因組的不穩定，與多種人類惡性腫瘤的發生、發展具有密切的關係；作為DNA複製解旋酶的核心組分，MCM2-7本身的基因突變或異常表達也與很多人類疾病密切相關。例如，MCM4基因的突變可以導致小鼠乳腺癌的發生。

　　由於MCM2-7複合物功能機制的重要性，在過去三十年裡，相關領域研究人員對其進行了大量的功能和結構方面的研究。由於其結構的複雜性，針對MCM2-7複合物的高分辨三維結構解析一直停滯不前，已成為其功能研究的重要限制因素。2013年下半年開始，高寧研究組和香港科技大學戴碧瓘研究組合作，利用清華大學冷凍電鏡平臺對MCM2-7雙六聚體複合物以及與相關功能因子結合的複合物進行結構解析。初期主要是利用負染電鏡和冷凍電鏡的方法對相關複合物進行分析。2014年下半年，Titan Krios電鏡更換新一代的K2相機後，在之前條件優化的基礎上，該課題獲得了關鍵性突破，進而解析來自酵母菌分裂間期G1期MCM2-7雙六聚體複合物近原子解析度的三維結構。結構分析表明，兩個MCM2-7單六聚體呈二次對稱，並相對於中心軸線有一定角度的傾斜和扭轉，在中心形成一個扭曲的中央通道。四層結構域組成的環狀結構限制了中央通道的大小，使之具有了完美匹配雙螺旋DNA的直徑（圖）。這些結構分析表明MCM2-7複合物直接參與了複製起始時的DNA最初解鏈過程。這一高解析度的結構為真核生物特異的解旋酶家族蛋白複合物的組裝、激活和調控的研究提供了一個全新視點，為指導此複合物的功能研究奠定了良好的基礎。

　　清華大學生命學院2010級博士生李寧寧（2015年7月已畢業）和香港科技大學的翟元梁研究助理教授為該論文的共同第一作者。高寧研究員、香港科技大學的戴碧瓘教授及翟元梁助理教授為共同通訊作者。生命學院的楊茂君教授參與了原子模型的搭建工作，冷凍電鏡平臺的總管雷建林博士、2010級博士生張一小（2015年7月已畢業）和2012級博士生李婉秋參與了冷凍電鏡數據收集工作。論文還得到了生命學院王佳偉研究員和李雪明研究員在數據處理及分析等方面的建議和協助。該研究獲得了科技部、國家自然科學基金委、香港研究資助局以及香港科技大學的經費支持。

　　高寧研究員2008年底加入清華大學生命科學學院，2009-2010期間主要參與生命學院冷凍電鏡實驗平臺的搭建，一直致力於利用冷凍電鏡三維重構技術研究蛋白質的生物合成、降解和核糖體的組裝成熟、蛋白翻譯的調控等重要生物過程，取得了一系列重要研究成果。先後在《Nature Structural &Molecular Biology》(2014)，《PloS Biology》(2014)，《Protein & Cell》(2014),《Nucleic Acids Research》(2013, 2013, 2014)，《J Biol Chem》(2013)及《PNAS》(2011)等雜誌發表多篇通訊作者研究論文，闡述了蛋白生物合成和降解中的多種調控機制。由於高寧研究員近年來的系統性研究成果，先後獲得了多項人才基金（自然基金委優秀青年基金2014、北京市青年英才計劃2013等），以及自然基金委面上項目和科技部重大研究計劃的支持。

　　文章連結：http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14685.html

　　評論文章：http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14643.html

供稿：生命學院 編輯：襄樺

 

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