中科大，南京农大最新Science：基因组稳定性调控最核心激酶ATR的激活机制

　　

来自中国科学技术大学，南京农业大学等处的研究人员发表了题为“3.9 Å structure of the yeast Mec1-Ddc2 complex, a homolog of human ATR-ATRIP”的文章，首次揭示了ATR-ATRIP复合体的近原子分辨率结构，揭示了ATR激酶活化的分子机制，为研制新型ATR激酶抑制剂用于肿瘤治疗奠定了结构基础。

这一研究成果公布在Science杂志上，由中国科学技术大学蔡刚课题组与南京农业大学王伟武课题组合作完成。主要的研究工作由王雪娟副研究员和蔡刚教授共同完成，其中王雪娟完成了ATR活性测定、冷冻样品制备、三维重构、结构分析，与南农王伟武教授合作搭建原子结构模型等高度挑战性工作。

基因组稳定性维持是一切生命活动的基础，然而，多种外源和内源因素作用下产生的广泛DNA损伤和复制压力，构成了基因组不稳定的主要来源。ATR激酶负责启动细胞对基因组不稳定的响应和修复，一旦感应到DNA损伤和复制叉压力会迅速活化，直接磷酸化细胞内超过1000个重要底物（包括抑癌基因p53编码蛋白、细胞周期调控蛋白等），全局性地调控基因组的稳定。ATR及其参与的信号通路对基因组稳定以及肿瘤的发生、发展和治疗至关重要。真核生物生存严格依赖ATR激酶的活性，然而ATR激酶活化的具体分子机制尚不清楚。

基因组不稳定性和易突变是肿瘤细胞的一个基本特征，通常伴随着大量稳定和修复基因组DNA的功能缺失，因此癌细胞更加依赖ATR激酶。大量功能和临床前的实验数据表明，ATR激酶抑制剂能直接高效杀死肿瘤细胞。此外，常规的化疗和放疗更进一步加剧了肿瘤细胞的基因组不稳定性，抑制ATR活性能协同增强常规肿瘤治疗对癌细胞的杀伤活性。因此，ATR激酶抑制剂在癌症治疗上具有重要应用前景，目前已经有两种ATR抑制剂进入了临床试验，但是现有抑制剂的特异性和稳定性有待加强，研制新型的ATR抑制剂在肿瘤治疗上具有重要临床应用价值和意义。

随着冷冻电镜技术的迅猛发展，ATR激酶结构解析的竞争非常激烈，国内外的竞争对手都拥有最好的冷冻电镜平台、计算平台和深厚基础的研究团队。

蔡刚课题组在中国科大高端冷冻电镜平台尚未建成、计算平台和成熟研究团队短缺的不利条件下，蔡刚教授亲力亲为带领王雪娟副研究员和实验室成员，全力拼搏，在中科院生物物理所生物成像中心收集高端冷冻电镜数据，三维重构在租用公司的GPU服务器和合肥微尺度物质科学国家研究中心资助下组装的GPU工作站上完成。

蔡刚教授课题组成功解析了来源酵母的ATR激酶及其结合蛋白ATRIP复合物（ATR-ATRIP）的近原子分辨率（3.9 Å）结构，发现细胞内的 ATR以ATR-ATRIP异二聚体的同源二聚体的形式存在。已鉴定的和ATR激活直接相关的ATR PRD结构域和ATRIP coiled-coil构成了最主要的ATR-ATR和ATRIP-ATRIP同源二体的作用界面；鉴定了PRD和Bridge结构域是调节ATR生物学功能的关键位点，并发现这两个关键调节位点在mTOR，ATM和DNA-PKcs等激酶中高度保守；清晰揭示了在未激活状态下，ATR激酶的活化环（activation loop）被其PRD结构域，通过一个特异性的疏水性相互作用所锚定，因而被锁定在待激活状态。ATR特异性激活蛋白可以利用其高度保守的疏水残基竞争性地解除PRD对活化环的抑制，迅速活化ATR的激酶。

该成果不仅揭示了ATR激酶活化的分子机制，具有帮助阐明基因组稳定性调控机制的重大科学意义；同时也揭示了ATR激酶上PRD和Bridge等调控位点可用于指导新型ATR激酶抑制剂的设计，为肿瘤治疗新型药物的研发提供了重要结构基础。

 

科学家以“近原子分辨率”描绘基因组稳定性维持关键组分的结构

细胞通过不断分裂来修补和替换受损组织。每一次的分裂都需要重新“复印”一次细胞的“遗传蓝图”。随着DNA的复制，“错印”不可避免地发生了。这种损伤若是置之不理，就会导致细胞的死亡。

一旦感受到DNA损伤的迹象，一种被叫做ATR激酶的蛋白质就会活化细胞固有修复系统。现在，中国的科学家们能够以史无前例的精度描绘这种蛋白质的结构，从而可以了解到它对DNA损伤的响应机制。

这一成果发表在顶级科研期刊《科学》上。

本文通讯作者，中国科学技术大学蔡刚教授解释：“ATR蛋白负责启动细胞对DNA损伤和复制压力的修复。解析ATR激酶的活化机制一直是生命科学领域的核心问题之一。这个问题包括ATR激酶是如何响应DNA损伤的，又是如何被活化的。

蔡刚教授和他的团队利用电子显微镜，在3.9埃的精度下构建了Mec1-Ddc2复合物的原子模型，而3.9埃大约是单个氦原子大小的八倍。酵母中的Mec1-Ddc2复合物，对应于人体内的ATR蛋白和它的信号通路伴侣蛋白ATRIP。

ATR是机体负责维持细胞稳态的六大蛋白质激酶之一。当这个家族的蛋白质发现了问题，比如DNA损伤，ATR就会激活修复损伤所必须的下游信号通路。 蔡刚教授表示：“使用顶级的冷冻电子显微镜对Mec1-Ddc2复合物进行观察，可以获得近原子级别精度的三维结构。”他同时指出该结构已经验证并拓展了现有的关于ATR的多个发现。

根据蔡教授的描述，ATR被视为潜在的癌症治疗靶点已经很长时间了。高分辨率的结构信息揭露了ATR激酶的调控位点。处于待激活状态的ATR，一旦检测到DNA损伤迹象，会迅速被激活。阐明这些位点的调控机制，有望指导新型癌症治疗药物的开发。

酵母Mec1-Ddc2复合物和人类ATR-ATRIP复合物具有高度的保守性，结构相似度高。蔡教授说：“我们相信从酵母Mec1-Ddc2复合物中获得的信息能够帮助阐明人类ATR-ATRIP复合物的结构和分子机制。”

蔡刚教授和他的团队现在正在对酵母Mec1-Ddc2复合物及人类ATR-ATRIP复合体的不同激活阶段进行成像，期望开发特定性更强和效率更高的ATR抑制剂，以便探索优化癌症治疗的可能性。

原文标题：

3.9 Å structure of the yeast Mec1-Ddc2 complex, a homolog of human ATR-ATRIP