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更新日期:110年11月18日

臺大團隊解開DNA複製修復機制研究成果發表於Nature Communications

DNA 複製對生物的發育、個體生長,和器官維持細胞數目的恆定所不可或缺。如果DNA複製發生錯誤,會導致基因突變而造成細胞變異,甚至演變成癌症。因此細胞發展出一套保護機制,當DNA 複製過程中,遇到DNA損傷或因種種複製壓力 (Replication stress) 造成阻礙時,複製叉 (Replication Fork) 會進入停滯狀態,並轉變成反轉複製叉 (Reversed fork) 的特殊DNA結構,藉以保護停滯的複製叉因而崩裂瓦解。同時,細胞內RAD51重組酵素會聚集至損傷處,在反轉複製叉的單股DNA上,形成核蛋白絲 (RAD51 filament) 聚合物,去保護新合成的DNA,不被核酸分解酵素 (Nuclease) 降解,並協助重新啟動DNA複製。然而,在整個反應過程中,因細胞高有大量的RPA蛋白複合體,因其對單股DNA有高度結合力,會阻礙RAD51和單股DNA結合。因此對於RAD51核蛋白絲在反轉複製叉上形成的調控機制,仍有許多未知。

在先前的研究中,研究團隊發現CST蛋白複合體 (CTC1-STN1-TEN1) 具有保護反轉複製叉及調控RAD51的角色。而在本篇研究,團隊以不同專長及互補的技術,從細胞層次、蛋白質與DNA生化功能分析、及單分子觀測量測,闡明細胞在複製壓力下的精細的調控機制。在細胞的影像實驗,觀察到在複製壓力下,RPA跟CST蛋白二者會共同聚集在停滯複製叉上。本篇第一作者李啟恆博士,利用多樣化的蛋白表達系統及蛋白純化的策略,成功純化出高純度的CST、RPA,和RAD51重組蛋白,進一步分析它們相互作用的生化特性。研究結果顯示,CST和RPA蛋白能共同結合在相同的單股DNA上,且CST和RAD51有直接的蛋白和蛋白交互作用,因此CST可以把RAD51帶到有RPA結合的單股DNA上。同時,共同第一作者楊翰霖碩士也利用單分子螢光實驗,進一步證明CST跟RPA的確是共存在同一條單股DNA上。此研究闡明RPA和CST 這兩個具有多個OB摺疊結構域(OB fold domain)的蛋白,藉由它們不同DNA結合力的OB摺疊結構域,彼此間競爭來達到兩個蛋白可以共存在同一個DNA分子上 (圖一)。由於細胞中大量的RPA阻礙了RAD51結合到反轉複製叉上,而透過CST和 RPA共存的能力,可以協助RAD51在聚集在DNA 形成核蛋白絲,進而促進後續DNA複製修復 (圖二)。

CST的突變會造成生長遲滯、骨髓衰竭、神經性病變、肝纖維化,癌症等疾病,本篇研究發現CST在DNA複製上的重要角色,闡釋造成這些疾病的可能成因,對於未來的診斷和治療上提供更多資訊。另外,癌症由於其快速生長的特性,會累積很多DNA複製壓力。若檢測出這些癌症中帶有CST突變,無法正常修復DNA複製壓力,則可以針對這一類癌症處理造成複製壓力的藥物,達到標靶治療的效果。

論文全文現已發表在Nature Communications,本次的研究成果再次顯示跨領域的團隊合作重要性,藉由研究專長的互補,除了加速研究的進行,也可由不同角度的思考,將問題探討的更加深入。此研究是由科技部計畫、臺大,及中央研究院支持下進行,論文參與的人員有臺大生化所冀宏源教授團隊 (李啟恆、張皓衍、葉欣怡),臺大化學系李弘文教授團隊 (楊翰霖、李子于),以及美國Weihang Chai教授團隊(Dinh Duc Nguyen,Xinxing Lyu,Megan Chastain)共同完成。

論文全文:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26624-x

臺大生化科學所冀宏源教授網頁: http://ibs.ntu.edu.tw/about/staffDetail/49

臺大化學系李弘文教授網頁:https://www.ch.ntu.edu.tw/member/faculty/hwli/

Weihang Chai教授網頁:https://weihangchai.wixsite.com/chailab

  • 圖1

    圖一、 CST透過不同DNA結合力的OB摺疊結構域在單股DNA上與RPA共存。

  • 圖2

    圖二、 此模型闡釋CST如何通過(l)其與和RAD51 蛋白的彼此結合,及(2)和RPA共存的特性,來協助RAD51能在反轉複製叉上形成核蛋白絲,促進DNA複製修復。

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