271: 非同源性末端接合超复合体(Non-Homologous End Joining Supercomplexes)

Author: Gabriela Diaz-Figueroa, Michael Egozi, Syeda Jannath, Jasmine Maddy, David S. Goodsell Translator: 于 健(PDBj)


本文由Gabriela Diaz-Figueroa,Michael Egozi,Syeda Jannath和Jasmine Maddy撰写和插图,是罗格斯定量生物医学研究所(Rutgers Institute for Quantitative Biomedicine)为本科生和研究生举办的为期一周的训练营的一部分。该文章是2022-2023年PDB-101健康重点 "癌症生物学和治疗学 "(Cancer Biology and Therapeutics)中的一篇。

必要的DNA修复

Ku70和Ku80对断裂的DNA末端的识别。
Ku70和Ku80对断裂的DNA末端的识别。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

DNA是遗传信息的载体。它是如此重要,以至于我们的DNA可以在其长链断裂时进行自我修复。DNA的断裂有多种形式,包括复制过程中的错误和外部因素造成的损害,如辐射、氧化应激和反应性化学物质。如果只有一条 DNA 链断裂,细胞核中的修复系统会以互补链为向导,顺利地进行修复。然而,如果两条链都断裂,修复就很困难,如果不加以处理,就会导致细胞死亡。非同源末端连接(NHEJ)是通过重新连接断裂的末端来纠正这些有害错误的主要方法之一。这一过程在我们的日常生活中是必不可少的,因为每个细胞每天大约会发生10次双链断裂。

非同源性末端接合

非同源性末端接合是由不同类型的修复蛋白合作完成的。这些蛋白质在断裂的末端处逐步聚集,形成一个超级复合物,从而重新连接DNA。这个超级复合物的形成始于两个蛋白质的异质二聚体,Ku70Ku80。它们可以识别断裂的DNA末端并招募其他NHEJ蛋白。这里显示的结构捕捉到了超级复合物形成过程的初始阶段,Ku70和Ku80结合在断裂的两端(PDB条目1jey)。接下来,DNA-PKcs(见PDB条目6zhe,此处未显示)结合并召集其他一些酶,准备修剪和连接两个断裂的末端;两个末端被XRCC4XLF对接,最后DNA连接酶 IV(DNA ligaseIV)将断裂的 DNA 链粘合在一起并释放修复的 DNA。

具有针对性的修复机制

通过召集DNA断裂修复酶来组装 "长程复合体"(long-range complexes)。
通过召集DNA断裂修复酶来组装 "长程复合体"(long-range complexes)。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

双链断裂会引起各种问题,包括两端的空间分离、碱基的修饰和断裂端单链的突起。为了解决这个问题,DNA-PKcs与超级复合物(此处显示为PDB条目7nfc3w1b)结合,并召集其他的酶来修复各种类型的损伤,并处理DNA末端,将末端对接起来。这些酶包括几个小型的聚合酶,填补缺失的核苷酸,以及像Artemis这样的核酸酶,用于切断突出的DNA链。由于这些在受损末端的多重修复,NHEJ过程并不精确,可能会在连接部位造成小的错误。

建立连接

在 "短程复合体"(short-range complex)中,断裂的DNA被DNA连接酶 IV重新连接。
在 "短程复合体"(short-range complex)中,断裂的DNA被DNA连接酶 IV重新连接。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

最后,当断裂的两端准备好后,它们被重新集合起来,DNA连接酶IV将重新连接DNA(PDB条目7lsy)。尽管双链断裂可能对生物体有害,但它们也可能是有益的。例如,在我们自己的免疫系统中,抗体基因通过NHEJ裂解和重组来创造多样性。这使得以前未见过的组合能够被发现,从而识别新的病原体。双链断裂在癌症放疗和化疗中也发挥着重要作用。这些疗法能裂解目标肿瘤细胞的DNA,有效地杀死它们或减缓它们的生长。不幸的是,NHEJ 容易出错的性质也可能是癌症的一个原因,因为它在参与细胞生长和调节的关键基因中引入了致癌错误。

探索结构

Ku蛋白和DNA

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Ku蛋白解决了分子如何识别断裂的DNA链这一令人困扰的问题。它通过利用形状来做到这一点:DNA是一条长链,通常需要一种蛋白质来包围它。另一方面,Ku的形状像一个封闭的环,所以DNA必须通过中间的一个孔。这仅在链的末端是可行的。这里显示的结构(PDB ID 1jey)是Ku70和Ku80的异质二聚体,中间有一个短的DNA片段穿过空腔。几个带正电荷的赖氨酸和精氨酸氨基酸(白色)在腔内排列,与DNA的主链相互作用。对齐的DNA末端以红紫色显示。研究人员将一个类似短发夹(黄色)的结构添加到DNA中,以促进确定结构,并用于将DNA固定在一个地方。

进一步的讨论议题

  1. 在PDBj网站上搜索Artemis聚合酶mu以查看与NHEJ有关的酶。例如,在PDB条目7sgl中,你可以看到Artemis作用于断裂的DNA末端。
  2. 阻断NHEJ的抑制剂已被开发用于癌症治疗。例如,PDB条目7otw

参考文献

  1. 7nfc Chaplin, A.K., Hardwick, S.W., Stavridi, A.K., Buehl, C.J., Goff, N.J., Ropars, V., Liang, S., De Oliveira, T.M., Chirgadze, D.Y., Meek, K., Charbonnier, J.B., Blundell, T.L. 2021 Cryo-EM of NHEJ supercomplexes provides insights into DNA repair. Mol Cell 81 3400
  2. 7lsy Chen, S., Lee, L., Naila, T., Fishbain, S., Wang, A., Tomkinson, A.E., Lees-Miller, S.P., He, Y. 2021 Structural basis of long-range to short-range synaptic transition in NHEJ. Nature 593 294-298
  3. Zhao, B., Rothenberg, E., Ramsden, D.A., Lieber, M.R. 2020 The molecular basis and disease relevance of non-homologous DNA end joining. Nat Rev Mol Cell Biol 21 765–781
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  6. 1jey Walker, J.R., Corpina, R.A., Goldberg, J. 2001 Structure of the Ku heterodimer bound to DNA and its implications for double-strand break repair. Nature 412 607-614

本文是由RCSB PDBPDB-101提供的《当月的分子2022年7月的文章的中文翻译。请参考我们的条款和条件页面。

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