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，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

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

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或聚合酶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
  4. Chang, H.Y.H., Pannunzio, N.R., Adachi, N., Lieber, M.R. 2017 Non-homologous DNA end joining and alternative pathways to double-strand break repair. Nat Rev Mol Cell Biol 18 495-506
  5. 3w1b Ochi, T., Gu, X., Blundell, T.L. 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
  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 PDB的PDB-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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