作者： JMCB科學(xué)前沿——蔡剛課題組

基因組穩(wěn)定性的維持是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，然而，多種外源和內(nèi)源因素作用下產(chǎn)生的廣泛DNA損傷和復(fù)制壓力構(gòu)成了基因組不穩(wěn)定的主要來(lái)源。真核生物的生存嚴(yán)格依賴(lài)ATR（ataxia telangiectasia–mutated and Rad3-related）激酶的活性，ATR激酶負(fù)責(zé)啟動(dòng)細(xì)胞對(duì)基因組不穩(wěn)定的響應(yīng)和修復(fù)，全局性地調(diào)控基因組的穩(wěn)定，也是細(xì)胞內(nèi)重要的腫瘤抑制因子。

脂肪酸合成酶（fatty acid synthase, FAS）負(fù)責(zé)催化乙酰CoA和丙二酸單酰CoA合成長(zhǎng)鏈脂肪酸。脂肪酸合成過(guò)程中，底物和中間產(chǎn)物分子在FAS各個(gè)功能結(jié)構(gòu)域中傳遞直到完成脂肪酸的整個(gè)合成過(guò)程。有研究表明，編碼FAS的基因可能發(fā)揮著癌基因的功能，其表達(dá)水平在部分腫瘤細(xì)胞中發(fā)生上調(diào)，利用FAS抑制劑抑制脂肪酸的合成，腫瘤細(xì)胞的增殖和擴(kuò)散也能夠明顯地受到抑制（Khan et al., 2014; Liu et al., 2010）。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔡剛教授課題組和王雪娟教授課題組在內(nèi)源性純化裂殖酵母ATR-ATRIP（Rad3-Rad26）復(fù)合體的過(guò)程中，很意外地發(fā)現(xiàn)Rad3-Rad26可以與FAS一起從體內(nèi)穩(wěn)定地共純化，這個(gè)結(jié)果暗示著ATR激酶在體內(nèi)可能通過(guò)直接結(jié)合FAS調(diào)控脂肪酸代謝。闡明ATR與FAS之間的功能性相互作用及其生物學(xué)意義，不僅能顯著提升對(duì)DNA損傷應(yīng)答通路和脂肪酸合成通路之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，也有望為腫瘤治療提供新的方向。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，蔡剛教授和王雪娟教授兩個(gè)課題組合作在Journal of Molecular Cell Biology（JMCB）發(fā)表了題為“Modulation of Fatty Acid Synthase by ATR checkpoint kinase Rad3”的研究成果，揭示裂殖酵母ATR-ATRIP復(fù)合體（Rad3-Rad26）穩(wěn)定地與FAS結(jié)合，通過(guò)調(diào)控FAS的結(jié)構(gòu)柔性，將脂肪酸合成停滯在啟動(dòng)階段（見(jiàn)上圖中步驟2）。

在發(fā)現(xiàn)Rad3-Rad26在體內(nèi)結(jié)合FAS的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的工作揭示Rad3-Rad26與FAS的相互作用在體內(nèi)、外分別受到DNA損傷和飽和脂肪酸的調(diào)控。當(dāng)細(xì)胞受到DNA損傷時(shí)，Rad3-Rad26與FAS的體內(nèi)相互作用明顯增強(qiáng)；在體外，Rad3-Rad26與FAS的直接結(jié)合能力較弱，加入飽和脂肪酸能顯著促進(jìn)其二者的相互作用。隨后利用冷凍電鏡技術(shù)，作者分別解析了單獨(dú)狀態(tài)以及Rad3-Rad26共純化狀態(tài)下FAS的三維結(jié)構(gòu)。單獨(dú)的FAS具有高度的結(jié)構(gòu)柔性，底物運(yùn)輸核心ACP（acyl carrier protein）結(jié)構(gòu)域處于連續(xù)的構(gòu)象變化，在各個(gè)催化結(jié)構(gòu)域間來(lái)回穿梭，具備高速合成脂肪酸的能力；而共純化FAS的ACP結(jié)構(gòu)域則被鉚釘在AT (acetyl transferase）和SD1（structural domain 1）結(jié)構(gòu)域之間，脂肪酸合成被停滯在起始階段，F(xiàn)AS的合成活性也顯著降低。

FAS在結(jié)合Rad3-Rad26前后的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)比較

癌細(xì)胞在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及能量的流通速率往往高于正常細(xì)胞。如糖代謝異常活躍、脂肪酸過(guò)度累積；而這些代謝的變化能滿足癌細(xì)胞的粘附、轉(zhuǎn)移和生存的需要。本研究首次發(fā)現(xiàn)了ATR激酶與FAS具有直接的相互作用并且能夠抑制脂肪酸合成，揭示了ATR激酶除了調(diào)控基因組穩(wěn)定性外，其腫瘤抑制因子的作用還可能通過(guò)直接抑制脂肪酸合成來(lái)發(fā)揮。此外，本文還發(fā)現(xiàn)了DNA損傷響應(yīng)與脂肪酸合成代謝之間存在直接的聯(lián)系，提供了認(rèn)識(shí)ATR激酶和FAS這兩種重要抗癌靶點(diǎn)的全新視角。

作者簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔡剛教授（右）與王雪娟教授（左）為該論文共同通訊作者。

蔡剛教授，中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)冷凍電鏡分會(huì)理事，中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心特聘研究員。先后榮獲中組部萬(wàn)人計(jì)劃“領(lǐng)軍人才”（2019），第十二屆“藥明康德生命化學(xué)研究獎(jiǎng)”（2018)，中國(guó)科大杰出研究校長(zhǎng)獎(jiǎng)（2017），基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金”（2012），教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”（2011）。研究工作聚焦于利用冷凍電鏡解析基因組穩(wěn)定性調(diào)控和減數(shù)分裂重組調(diào)控的分子機(jī)制，為疾病、藥物等研究提供理論依據(jù)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)腫瘤治療新型藥物。

王雪娟教授，在冷凍電鏡和復(fù)雜生物大分子復(fù)合體研究領(lǐng)域具備深厚基礎(chǔ)。近5年來(lái)，在Science (2017)，Nature Communications (2016, 2018)，Cell Research (2014, 2019) 等國(guó)際高水平雜志上發(fā)表第一/通訊作者論文 10篇。作為負(fù)責(zé)人主持兩項(xiàng)國(guó)家基金委面上項(xiàng)目、作為課題骨干參與了兩項(xiàng)科技部重大研究計(jì)劃。2019 年榮獲安徽省“杰出青年” 項(xiàng)目和基金委“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”的資助。主要研究興趣在于利用冷凍電鏡解析DNA雙鏈斷裂（DSB）早期信號(hào)傳導(dǎo)和減數(shù)分裂聯(lián)會(huì)復(fù)合體動(dòng)態(tài)組裝的分子機(jī)制。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生邱淑婉（左）和博士生劉升（右）為該論文的共同第一作者。

參考文獻(xiàn)：

Khan, A., Aljarbou, A. N., Aldebasi, Y. H., Faisal, S. M., and Khan, M. A. (2014). Resveratrol suppresses the proliferation of breast cancer cells by inhibiting fatty acid synthase signaling pathway. Cancer Epidemiol, 38, 765-772.

Liu, H., Liu, J. Y., Wu, X., and Zhang, J. T. (2010). Biochemistry, molecular biology, and pharmacology of fatty acid synthase, an emerging therapeutic target and diagnosis/prognosis marker. Int J Biochem Mol Biol, 1, 69-89.

（來(lái)源：科學(xué)網(wǎng)）