Science子刊:揭示DNA複製總是從5』端向3』端進行之謎

2016年7月15日/生物谷BIOON/--通過研究一種逆向反應的酶，科學家們猜測為何DNA複製總是沿著正向進行。

核苷酸鏈，如DNA和RNA，是由利用另一條互補的鏈進行複製而進行合成的。這種複製過程總是沿著正向進行的，即從5』端向3』端進行，記為正向反應。在這一過程期間，將要被複製的雙鏈DNA的兩條鏈分開，並且彼此反方向對齊，這就讓事情變得更為複雜。

當DNA複製時，其中的一條鏈能夠持續地合成，而另一條鏈則是先合成出很多片段，然後再連接在一起。生物學上的重大問題之一就是為何細胞沒有逆向反應的酶以便兩條鏈能夠高效地合成。

最近，科學家們已發現一組被稱為Thg1樣蛋白（Thg1-like protein, TLP）的酶，而且還發現這些酶在逆向上利用鹼基配對的方式將核苷酸加入截斷的tRNA分子的5』端上，記為逆向反應。在這個方向上添加核苷酸的情形是非常罕見的。TLP是例外，在逆向上添加核苷酸來修復受損的RNA的「另一端（即5』端）」。

在一項新的研究中，來自日本北海道大學的Min Yao和她的團隊利用X射線晶體衍射方法揭示出TLP/RNA複合體結構。這讓他們能夠認識TLP在逆向上添加核苷酸的複雜機制。相關研究結果近期發表在Science Advances期刊上，論文標題為「Template-dependent nucleotide addition in the reverse (3′-5′) direction by Thg1-like protein」。

他們的結構分析揭示出TLP催化的這種核苷酸添加反應分兩步完成：利用ATP/GTP激活tRNA分子的5』端，然後將核苷酸添加到這個末端上。第二步在正向反應中也可觀察到。這種逆向反應的獨特之處在於開始時招募能量分子，即ATP和GTP。這種酶明顯利用招募到的能量分子將合成方向由正向切換到逆向。

研究人員猜測這種逆向進行複製的酶並不用於DNA複製之中，這是因為它需要一種結構上比較複雜的過程。

Yao說，「通過更加詳細地比較正向反應和逆向反應的分子機制，我們將能夠充分地理解DNA複製的進化環境。」（生物谷 Bioon.com）

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Template-dependent nucleotide addition in the reverse (3′-5′) direction by Thg1-like protein

Shoko Kimura1,*, Tateki Suzuki1,*, Meirong Chen1, Koji Kato1,2, Jian Yu2, Akiyoshi Nakamura3, Isao Tanaka2 and Min Yao

doi:10.1126/sciadv.1501397
PMC:
PMID:

Thg1-like protein (TLP) catalyzes the addition of a nucleotide to the 5′-end of truncated transfer RNA (tRNA) species in a Watson-Crick template–dependent manner. The reaction proceeds in two steps: the activation of the 5′-end by adenosine 5′-triphosphate (ATP)/guanosine 5′-triphosphate (GTP), followed by nucleotide addition. Structural analyses of the TLP and its reaction intermediates have revealed the atomic detail of the template-dependent elongation reaction in the 3′-5′ direction. The enzyme creates two substrate binding sites for the first- and second-step reactions in the vicinity of one reaction center consisting of two Mg2+ ions, and the two reactions are executed at the same reaction center in a stepwise fashion. When the incoming nucleotide is bound to the second binding site with Watson-Crick hydrogen bonds, the 3′-OH of the incoming nucleotide and the 5′-triphosphate of the tRNA are moved to the reaction center where the first reaction has occurred. That the 3′-5′ elongation enzyme performs this elaborate two-step reaction in one catalytic center suggests that these two reactions have been inseparable throughout the process of protein evolution. Although TLP and Thg1 have similar tetrameric organization, the tRNA binding mode of TLP is different from that of Thg1, a tRNAHis-specific G−1 addition enzyme. Each tRNAHis binds to three of the four Thg1 tetramer subunits, whereas in TLP, tRNA only binds to a dimer interface and the elongation reaction is terminated by measuring the accepter stem length through the flexible β-hairpin. Furthermore, mutational analyses show that tRNAHis is bound to TLP in a similar manner as Thg1, thus indicating that TLP has a dual binding mode.

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