271: 非同源性末端接合超複合體（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

Ku70和Ku80對斷裂的DNA末端的識別。
Ku70和Ku80對斷裂的DNA末端的識別。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

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

通過召集DNA斷裂修復酶來組裝"長程複合體"（long-range complexes）。
通過召集DNA斷裂修復酶來組裝"長程複合體"（long-range complexes）。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

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

在"短程複合體"（short-range complex）中，斷裂的DNA被DNA連接酶 IV重新連接。
在"短程複合體"（short-range complex）中，斷裂的DNA被DNA連接酶 IV重新連接。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

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

Ku蛋白和DNA

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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

  1. 在PDBj網站上搜索Artemis或聚合酶mu以查看與NHEJ有關的酶。例如，在PDB條目7sgl中，你可以看到Artemis作用於斷裂的DNA末端。
  2. 阻斷NHEJ的抑製劑已被開髮用於癌症治療。例如，PDB條目7otw。

參考文獻

  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
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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 PDB的PDB-101提供的《當月的分子》2022年7月的文章的中文翻譯。請參考我們的條款和條件頁面。

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