PNAS:DNA错配修复蛋白如何运作?

【字体: 时间:2015年08月25日 来源:生物通

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  最近,来自美国北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员,解开了“在DNA复制过程中,两个重要的DNA错配修复蛋白如何知道去哪里寻找错误,以及它们如何互相协作,用信号通知身体的修复机制”。相关研究结果发表在八月十七日的《PNAS》杂志。

  

生物通报道:最近,来自美国北卡罗来纳州立大学(NC State)和北卡罗来纳大学教堂山分校(UNC-Chapel Hill)的研究人员,解开了“在DNA复制过程中,两个重要的DNA错配修复蛋白如何知道去哪里寻找错误,以及它们如何互相协作,用信号通知身体的修复机制”。相关研究结果发表在八月十七日的《PNAS》杂志。延伸阅读:科学家解开DNA修复的谜团

当一个细胞准备分裂时,DNA首先分裂,双螺旋“解压缩”成为两个单独的主干。新的核苷酸——腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤或胸腺嘧啶,被填充到主干另一边的缺口中,与它们的对应物配对(腺嘌呤和胸腺嘧啶,鸟嘌呤和胞嘧啶),并为旧的和新的细胞复制DNA。大部分时间核苷酸是正确匹配的,但偶尔(在一百万次中约有一次)会发生一次错配。

幸运的是,我们的身体有一个检测并修复这些错配的系统——一对蛋白质称为MutS和MutL。在DNA复制后,MutS沿DNA链新建的一侧滑动,并校对它。当它找到一个错配时,它锁定到错配位点,并招募MutL到来并结合它。MutL在新合成的DNA链中产生一个缺口,将其标记为缺陷,并用信号通知不同的蛋白,吞噬包含错误的那部分DNA。然后,核苷酸匹配重新开始填补空缺。整个过程可减少约一千倍的复制错误,作为我们身体的最佳防御,防范基因突变及其可能导致的问题(如癌症)。

本文共同作者、NC State物理学教授Keith Weninger指出:“每种生物都用这个过程用于DNA复制和修复,我们知道组件是什么,但是有一些关键的机制,还不是很清楚。例如,当DNA被修复时,它只发生在DNA链的新部分,而不是旧的模板。为了摆脱有缺陷的部分,蛋白质知道用哪种方式沿链移动。这里发生了沟通,但是关于它是如何运作的,仍然存在争议。”

科学家知道,一种名为PCNA的蛋白质,在这种沟通中起着重要的作用。PCNA位于DNA分裂的位点,其在该位点上的物理定位表明了一段DNA链的哪一部分是新的。这被称为链辨别信号。MutL和MutL以某种方式与这个信号相互作用,从而使MutL在链的适当部位产生缺口,并表明需要修复。科学家们对这种沟通提出了三种模型:MutS和MutL蛋白结合形成一种夹钳,滑向PCNA,并与信号相互作用,从而标志着它们沿着滑动的区域需要删除;或者它们在DNA上产生一个折叠,并将PCNA“拉向”它们,达到同样的效果;或者MutL以某种方式覆盖在缺陷区,发信号修复。

Weninger,连同本文共同作者、来自UNC-Chapel Hill的Dorothy Erie一起,想要确定最有可能的那种沟通方法。利用单分子荧光方法——可让研究人员一次看到一个蛋白质沿一段DNA片段移动,他们发现,当MutS找到一处错误时,它就会改变形状,这种方式让它与MutL结合,使它保持在错配的位点。然后,MutL改变其形状,以“抓住”另一个MutL,以此类推,从而覆盖一条链的有缺陷部分,并在需要修复的区域产生缺口。换句话说,Weninger、Erie和他们的同事们发现,第三种模型是正确的。

Weninger说:“这个系统,对于维持基因组的稳定性,是必不可少的。我们知道所有的参与因子,以及这个过程的开始和结束,但这项工作填补了一个完全未知的中间步骤,非常不同于有些人想象的。”

他继续说:“我们也知道,MutS和MutL蛋白的突变,与非常特异性的癌症有关。但是,如果我们想要弄清楚缺陷是如何导致疾病的,我们首先必须了解这些蛋白质是如何正常工作的。这项研究朝向这一理解的又一步。”

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
MutL traps MutS at a DNA mismatch
Abstract: DNA mismatch repair (MMR) identifies and corrects errors made during replication. In all organisms except those expressing MutH, interactions between a DNA mismatch, MutS, MutL, and the replication processivity factor (β-clamp or PCNA) activate the latent MutL endonuclease to nick the error-containing daughter strand. This nick provides an entry point for downstream repair proteins. Despite the well-established significance of strand-specific nicking in MMR, the mechanism(s) by which MutS and MutL assemble on mismatch DNA to allow the subsequent activation of MutL’s endonuclease activity by β-clamp/PCNA remains elusive. In both prokaryotes and eukaryotes, MutS homologs undergo conformational changes to a mobile clamp state that can move away from the mismatch. However, the function of this MutS mobile clamp is unknown. Furthermore, whether the interaction with MutL leads to a mobile MutS–MutL complex or a mismatch-localized complex is hotly debated. We used single molecule FRET to determine that Thermus aquaticus MutL traps MutS at a DNA mismatch after recognition but before its conversion to a sliding clamp. Rather than a clamp, a conformationally dynamic protein assembly typically containing more MutL than MutS is formed at the mismatch. This complex provides a local marker where interaction with β-clamp/PCNA could distinguish parent/daughter strand identity. Our finding that MutL fundamentally changes MutS actions following mismatch detection reframes current thinking on MMR signaling processes critical for genomic stability.

 

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