當(dāng)人體細(xì)胞分裂時，它們必須首先精確復(fù)制自己的DNA。DNA復(fù)制是所有生物體中最重要的過程之一，它充滿了突變的風(fēng)險，突變可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡或癌癥發(fā)生。DNA復(fù)制過程是由多種具有高度特化功能的蛋白質(zhì)復(fù)合物完成的，包括DNA的解旋和兩條解旋DNA單鏈的復(fù)制。這個過程類似于工廠的裝配線，由大量數(shù)據(jù)串纏繞組成的“線團(tuán)”被解開，允許特定的部分被修飾和復(fù)制。生物學(xué)家對這個過程是如何開始和進(jìn)行的已經(jīng)有較多了解，但對它是如何響應(yīng)意外停止或暫停、特別是如何維持復(fù)制過程中的質(zhì)量控制仍知之甚少。
賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院和利茲大學(xué)的生物學(xué)家們在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種在DNA復(fù)制過程中調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的蛋白復(fù)合物。今天發(fā)表在《Cell》雜志上的這一發(fā)現(xiàn)具有里程碑意義，推進(jìn)了對DNA復(fù)制的理解，有助于解釋一系列令人費解的遺傳疾病，并可能為未來神經(jīng)和發(fā)育障礙治療的發(fā)展提供信息。
“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞中一個關(guān)鍵的DNA復(fù)制質(zhì)量控制機(jī)制，”資深通訊作者Roger Greenberg醫(yī)學(xué)博士是賓夕法尼亞大學(xué)基因組完整性中心主任，賓夕法尼亞大學(xué)巴斯?fàn)朆RCA中心基礎(chǔ)科學(xué)主任。“我們體內(nèi)每天都有數(shù)萬億個細(xì)胞分裂，這需要精確地復(fù)制我們的基因組。我們的工作描述了一種在DNA復(fù)制過程中調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的新機(jī)制。我們現(xiàn)在對這個復(fù)雜的生物過程中的重要一步有了更多的了解。”
先前的研究已發(fā)現(xiàn)，一些蛋白質(zhì)通過誘導(dǎo)DNA鏈上的DNA復(fù)制成分的分解和再循環(huán)來阻止一條DNA鏈上的復(fù)制。在這項研究中，研究人員使用低溫電子顯微鏡、基于CRISPR的突變分析和其他先進(jìn)技術(shù)，獲得以下幾個新發(fā)現(xiàn)
• SPATA5-SPATA5L1 與C1orf109-CINP異二聚體伴侶與結(jié)合，形成異六聚物復(fù)合物 (55LCC)
• 55LCC與染色質(zhì)相關(guān)，并表現(xiàn)出DNA刺激的ATP酶活性
• 55LCC缺失會導(dǎo)致蛋白質(zhì)毒性、復(fù)制應(yīng)激和基因組不穩(wěn)定
• 55LCC響應(yīng)復(fù)制叉的損傷，處理復(fù)制復(fù)合物底物
具體來說，就是作者綜合結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法證明，異二聚體伴侶C1orf109-CINP與 SPATA5-SPATA5L1相互作用形成復(fù)合物55LCC，在圓柱形ATP酶馬達(dá)上方形成漏斗狀結(jié)構(gòu)（見圖），表現(xiàn)出復(fù)制叉DNA刺激的ATP酶活性提供動力，這個蛋白復(fù)合物能夠響應(yīng)復(fù)制叉的損傷，與DNA復(fù)制復(fù)合物相互作用，似乎可以展開緊密折疊的復(fù)制復(fù)合物，使其被蛋白質(zhì)剪切酶切碎并清除。55LCC顯示的ATP酶活性能夠被復(fù)制叉DNA特異性增強(qiáng)，并與半胱氨酸蛋白酶依賴的復(fù)制體底物裂解偶聯(lián)，以響應(yīng)復(fù)制叉損傷。缺乏55LCC復(fù)合物會引起泛素非依賴性的蛋白質(zhì)毒性、復(fù)制應(yīng)激和嚴(yán)重的染色體不穩(wěn)定，復(fù)制可能會受阻，受影響的細(xì)胞會停止分裂。研究人員推測，55LCC可能不僅參與調(diào)控與細(xì)胞分裂相關(guān)的DNA復(fù)制過程，對于復(fù)制叉進(jìn)展和基因組穩(wěn)定至關(guān)重要，還參與調(diào)控DNA損傷性病變阻斷復(fù)制的過程。55LCC也可能與蛋白質(zhì)循環(huán)有關(guān)——蛋白質(zhì)循環(huán)是另一個對細(xì)胞健康至關(guān)重要的過程。
基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的臨床意義
眾所周知，組成55LCC相關(guān)的遺傳突變與包括聽力喪失、認(rèn)知和運(yùn)動障礙以及癲癇在內(nèi)的兒童綜合癥有關(guān)?？茖W(xué)家在他們的實驗中表明，這些致病突變傾向于降低55LCC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性或影響其與其他蛋白質(zhì)的相互作用，這可能為相關(guān)人類神經(jīng)發(fā)育障礙的致病變異提供了理論依據(jù)。Roger Greenberg說:“這項工作有望標(biāo)志著對這些嚴(yán)重神經(jīng)發(fā)育綜合癥的深入了解的開始。”“最終，這一發(fā)現(xiàn)的影響可能會更廣泛。它可能會導(dǎo)致減輕與55LCC功能障礙相關(guān)的臨床問題，包括癲癇、聽力損失、智力遲鈍和骨髓功能不全。”他的團(tuán)隊正在繼續(xù)研究55LCC是如何工作和被調(diào)節(jié)的，包括了解告訴55LCC變得活躍并開始展開DNA復(fù)制復(fù)合體的精確信號。
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