271: 非同源性末端接合超复合体(Non-Homologous End Joining Supercomplexes)
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
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,Ku70和Ku80。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XRCC4和XLF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
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7nfc和3w1b)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
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
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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
参考文献
- 7nfc 2021 Cryo-EM of NHEJ supercomplexes provides insights into DNA repair. Mol Cell 81 3400
- 7lsy 2021 Structural basis of long-range to short-range synaptic transition in NHEJ. Nature 593 294-298
- 2020 The molecular basis and disease relevance of non-homologous DNA end joining. Nat Rev Mol Cell Biol 21 765–781
- 2017 Non-homologous DNA end joining and alternative pathways to double-strand break repair. Nat Rev Mol Cell Biol 18 495-506
- 3w1b 2013 Structure of the catalytic region of DNA ligase IV in complex with an artemis fragment sheds light on double-strand break repair. Structure 21 672-679
- 1jey 2001 Structure of the Ku heterodimer bound to DNA and its implications for double-strand break repair. Nature 412 607-614