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科研進展

丁建平研究組揭示釀酒酵母源Shu複合物在DNA同源重組過程中發揮生物學功能的分子機制

10月24日,中國科學院生物化學與細胞生物學研究所國家蛋白質科學中心(上海)丁建平研究組在國際學術期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在線發表了題爲“Structural basis for the functional role of the Shu complex in homologous recombination”的論文,該研究揭示了Shu複合物在DNA同源重組過程中發揮生物學功能的分子機制。

2017-10-25 浏覽量:28808

作者丁建平組

       10月24日,中國科學院生物化學與細胞生物學研究所國家蛋白質科學中心(上海)丁建平研究組在國際學術期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在線發表了題爲“Structural basis for the functional role of the Shu complex in homologous recombination”的論文,該研究揭示了Shu複合物在DNA同源重組過程中發揮生物學功能的分子機制。

       當作爲遺傳信息載體的DNA受到損傷後,會造成其結構和遺傳信息的改變,繼而影響到DNA的複制和轉錄等過程,導致細胞周期停滯和基因表達失調,最終可能引發細胞的癌變或死亡。對于數量龐大、類型多樣的DNA損傷,細胞進化出一系列DNA損傷修複機制,用于保證基因組的完整性和穩定性。丁建平研究組近年來致力于DNA損傷修複通路相關蛋白質的結構與功能研究,先前已報道了範可尼貧血信號通路中MHF1-MHF2複合物(Structure,2012)和FANCM-FAAP24複合物(Nucleic Acids Research,2013)的晶體結構,並闡述了這些複合物與DNA結合並發揮其生物學功能的分子機制。

       Shu複合物是近年研究發現的一類保守的、廣泛存在于真核生物,參與調控DNA同源重組過程的多元複合物。在釀酒酵母中,Shu複合物是由Csm2、Psy3、Shu1和Shu2四個蛋白組成,通過參與同源重組途徑而在DNA的損傷修複和耐受過程中扮演了重要的角色。迄今爲止,Shu1和Shu2蛋白的晶體結構及全複合物的結構信息仍然不清楚,這影響了對Shu複合物在DNA損傷修複途徑中發揮生物學功能的理解。

       丁建平組博士生張世成等人成功解析了釀酒酵母源Shu複合物的晶體結構。整體結構顯示,全長的四個組分蛋白Csm2、Psy3、Shu1和Shu2依次順序相互作用形成一個V型結構,其兩個亞複合物Csm2-Psy3和Shu1-Shu2分別位于V型的兩側。結構分析發現,Shu1采用了ATPase核心結構域的經典折疊方式,是一個新的Rad51旁系同源蛋白。Shu2是第一個結構獲得解析的Shu2/SWS1家族蛋白,采用了一種全新的蛋白折疊方式。Shu2蛋白除了包含家族保守的SWIM結構域外,還包含一個插入結構域,並且都參與了與Shu1的相互作用。Shu1和Shu2通過大量疏水相互作用和少量親水相互作用形成一個穩定的亞複合物。在Shu複合物中,Psy3的N端伸出的大約20個氨基酸相比于Csm2-Psy3二元複合物結構中的Psy3發生了大約60度的偏轉,並與Shu1發生了緊密的相互作用。此外,還發現Shu1上的Val51在全複合物組裝過程中也扮演著重要的角色。在結構分析的基礎上,通過酵母雙雜和pull-down等實驗驗證了相互作用界面上關鍵氨基酸對于複合物形成的作用,並通過酵母MMS敏感性實驗發現,Shu複合物的完整性對于其在DNA損傷修複途徑中發揮功能是必需的。進一步通過對複合物表面電荷分布的分析,並結合已有的生化實驗數據,得到了複合物結合DNA的兩個可能區域。根據兩個區域的結構和化學特征,進一步推測區域I主要結合單鏈DNA,而區域II則主要結合雙鏈DNA。基于研究結果,研究人員提出了Shu複合物結合3'-overhang或fork等同源重組過程中不同形式結構DNA、以及在DNA損傷修複途徑中發揮生物學功能的分子機制。

       感謝國家蛋白質科學研究設施(上海)BL19U1線站的工作人員在晶體衍射數據收集中給予的支持與幫助。該項工作得到了生物化學與細胞生物學研究所陳江野研究員的大力幫助,並得到了國家科技部,中國科學院先導B專項和國家自然科學基金委的經費支持。

釀酒酵母源Shu複合物在DNA同源重組過程中發揮生物學功能的分子機制。

A、Shu複合物的整體結構。B、Psy3的N端15個氨基酸殘基和Shu1上的Val51對于全複合物的組裝及其在DNA損傷修複中的功能發揮具有重要的意義。C、Shu複合物結合3’-overhang結構DNA的可能模式示意圖。

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