271: 非同源性末端接合超複合體(Non-Homologous End Joining Supercomplexes)
本文由Gabriela Diaz-Figueroa,Michael Egozi,Syeda Jannath和Jasmine Maddy撰寫和插圖,是羅格斯定量生物醫學研究所(Rutgers Institute for Quantitative Biomedicine)為本科生和研究生舉辦的為期一周的訓練營的一部分。該文章是2022-2023年PDB-101健康重點"癌症生物學和治療學"(Cancer Biology and Therapeutics)中的一篇。
必要的DNA修復
DNA是遺傳信息的載體。它是如此重要,以至於我們的DNA可以在其長鏈斷裂時進行自我修復。 DNA的斷裂有多種形式,包括複製過程中的錯誤和外部因素造成的損害,如輻射、氧化應激和反應性化學物質。如果只有一條DNA 鏈斷裂,細胞核中的修復系統會以互補鍊為嚮導,順利地進行修復。然而,如果兩條鏈都斷裂,修復就很困難,如果不加以處理,就會導致細胞死亡。 非同源末端連接(NHEJ)是通過重新連接斷裂的末端來糾正這些有害錯誤的主要方法之一。這一過程在我們的日常生活中是必不可少的,因為每個細胞每天大約會發生10次雙鏈斷裂。
非同源性末端接合
非同源性末端接合是由不同類型的修復蛋白合作完成的。這些蛋白質在斷裂的末端處逐步聚集,形成一個超級複合物,從而重新連接DNA。這個超級複合物的形成始於兩個蛋白質的異質二聚體,Ku70和Ku80。它們可以識別斷裂的DNA末端並招募其他NHEJ蛋白。這裡顯示的結構捕捉到了超級複合物形成過程的初始階段,Ku70和Ku80結合在斷裂的兩端(PDB條目1jey)。接下來,DNA-PKcs(見PDB條目6zhe,此處未顯示)結合併召集其他一些酶,準備修剪和連接兩個斷裂的末端;兩個末端被XRCC4和XLF對接,最後DNA連接酶 IV(DNA ligaseIV)將斷裂的DNA 鏈粘合在一起並釋放修復的DNA。
具有針對性的修復機制
雙鏈斷裂會引起各種問題,包括兩端的空間分離、鹼基的修飾和斷裂端單鏈的突起。為了解決這個問題,DNA-PKcs與超級複合物(此處顯示為PDB條目7nfc和3w1b)結合,並召集其他的酶來修復各種類型的損傷,並處理DNA末端,將末端對接起來。這些酶包括幾個小型的聚合酶,填補缺失的核苷酸,以及像Artemis這樣的核酸酶,用於切斷突出的DNA鏈。由於這些在受損末端的多重修復,NHEJ過程並不精確,可能會在連接部位造成小的錯誤。
建立連接
最後,當斷裂的兩端準備好後,它們被重新集合起來,DNA連接酶IV將重新連接DNA(PDB條目7lsy)。儘管雙鏈斷裂可能對生物體有害,但它們也可能是有益的。例如,在我們自己的免疫系統中,抗體基因通過NHEJ裂解和重組來創造多樣性。這使得以前未見過的組合能夠被發現,從而識別新的病原體。雙鏈斷裂在癌症放療和化療中也發揮著重要作用。這些療法能裂解目標腫瘤細胞的DNA,有效地殺死它們或減緩它們的生長。不幸的是,NHEJ 容易出錯的性質也可能是癌症的一個原因,因為它在參與細胞生長和調節的關鍵基因中引入了致癌錯誤。
探索結構
要切換到有互動控制的頁面,請點擊圖表下方的按鈕。如果加載沒有開始,請嘗試點擊圖表。
Ku蛋白解決了分子如何識別斷裂的DNA鏈這一令人困擾的問題。它通過利用形狀來做到這一點:DNA是一條長鏈,通常需要一種蛋白質來包圍它。另一方面,Ku的形狀像一個封閉的環,所以DNA必須通過中間的一個孔。這僅在鏈的末端是可行的。這裡顯示的結構(PDB ID 1jey)是Ku70和Ku80的異質二聚體,中間有一個短的DNA片段穿過空腔。幾個帶正電荷的賴氨酸和精氨酸氨基酸(白色)在腔內排列,與DNA的主鏈相互作用。對齊的DNA末端以紅紫色顯示。研究人員將一個類似短髮夾(黃色)的結構添加到DNA中,以促進確定結構,並用於將DNA固定在一個地方。
進一步的討論議題
參考文獻
- 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