在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員描述了一種酶和蛋白相互作用以維持位于染色體末端的保護(hù)帽（稱為端粒）的方式，這是對(duì)人體細(xì)胞如何在多次細(xì)胞分裂之后保持其DNA的完整性的一種新認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Structures of the human CST-Polα–primase complex bound to telomere templates”。

DNA復(fù)制對(duì)于延續(xù)我們所知的生命是至關(guān)重要的，但是這個(gè)過(guò)程的許多復(fù)雜性---許多生物分子如何到達(dá)它們需要去的地方并在一系列錯(cuò)綜復(fù)雜的協(xié)調(diào)步驟中相互作用---仍然是神秘的。

論文通訊作者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校生物化學(xué)助理教授Ci Ji Lim說(shuō)，“這種稱為Polα-primase的酶發(fā)揮作用的機(jī)制幾十年來(lái)一直令人費(fèi)解。我們的研究在理解染色體末端的DNA合成方面取得了重大突破，它提出了關(guān)于Polα-primase---DNA復(fù)制機(jī)器中的核心齒輪---如何運(yùn)作的新假設(shè)?！?/p>

每次細(xì)胞分裂時(shí)，位于構(gòu)成一條染色體的長(zhǎng)鏈DNA分子末端的端粒會(huì)稍微縮短。端粒對(duì)染色體的保護(hù)就像繩花（aglet）對(duì)鞋帶末端的保護(hù)。最終，端粒變得如此之短，以至于染色體上的重要遺傳代碼被暴露出來(lái)，細(xì)胞無(wú)法正常運(yùn)作，進(jìn)入了僵尸狀態(tài)。細(xì)胞的日常維護(hù)的一部分包括通過(guò)使用Polα-primase補(bǔ)充這種DNA來(lái)防止端粒過(guò)度縮短。

在端粒的合成位點(diǎn)，Polα-primase首先建立一個(gè)短的核酸引物（稱為RNA），然后用DNA延長(zhǎng)這個(gè)引物（稱為RNA-DNA引物）?？茖W(xué)家們之前認(rèn)為， Polα-primase當(dāng)從RNA合成切換到DNA分子合成時(shí)，需要改變它的形狀。Lim實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，Polα-primase使用一種剛性支架在端粒復(fù)制機(jī)器的另一個(gè)齒輪---一種稱為CST的輔助蛋白---的幫助下在端粒上合成RNA-DNA引物。CST的作用就像一個(gè)停止的標(biāo)志，它停止了其他酶的活動(dòng)，并把Polα-primase帶到了合成位點(diǎn)。

圖片來(lái)自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05040-1。

Lim說(shuō)，“在這項(xiàng)研究之前，我們不得不想象Polα-primase如何發(fā)揮作用以完成染色體末端的端粒復(fù)制。如今，我們有了Polα-primase與一種叫做CST的附屬蛋白結(jié)合在一起時(shí)的高分辨率結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)在CST與端粒的模板DNA鏈結(jié)合后，它促進(jìn)了Polα-primase的行動(dòng)。這樣一來(lái)，CST為Polα-primase首先合成RNA，然后利用一種統(tǒng)一的支架平臺(tái)合成DNA搭建了舞臺(tái)?！?/p>

這些作者還初步了解了Polα-primase如何沿著染色體的長(zhǎng)度在其他地方啟動(dòng)DNA的合成。其他科學(xué)家們也在修復(fù)DNA損傷和DNA復(fù)制停滯的位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了CST-polα-primase復(fù)合物。

Lim說(shuō)，“因?yàn)镻olα-primase在端粒和染色體的其他地方的DNA復(fù)制中起著核心和非常重要的作用---它是唯一一種在DNA模板上從頭開(kāi)始為DNA復(fù)制合成引物的酶，我們的CST-Polα-primase結(jié)構(gòu)為Polα-primase如何在基因組DNA復(fù)制期間也能完成它們的工作提供了新的見(jiàn)解。這是自然界為完成這一復(fù)雜過(guò)程而進(jìn)化出的一個(gè)非常優(yōu)雅的解決方案?！?/p>

論文第一作者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校生物物理學(xué)研究生項(xiàng)目的研究生Qixiang He解釋說(shuō)，“我們的發(fā)現(xiàn)揭示了CST在促進(jìn)這種Polα-primase活動(dòng)中發(fā)揮的前所未有的作用。看看參與染色體其他地方的DNA復(fù)制的輔助因子是否像CST對(duì)端粒所做的那樣招募Polα-primase，這將是很有趣的?！?/p>

這些作者使用一種叫做低溫電鏡單顆粒分析的先進(jìn)成像技術(shù)確定了CST-Polα-primase的結(jié)構(gòu)模型。在低溫電鏡中，快速冷凍的樣品懸浮在一層薄薄的冰膜中，然后用透射電鏡進(jìn)行成像，產(chǎn)生高分辨率的生物大分子---比如這些在DNA復(fù)制中起作用的酶---的三維模型。

Lim團(tuán)隊(duì)使用低溫電鏡單顆粒分析，首先確定了CST-Polα-primase的結(jié)構(gòu)，然后更詳細(xì)地觀察該復(fù)合物的移動(dòng)部分。他們?cè)谌A盛頓大學(xué)麥迪遜分校生物化學(xué)系的美國(guó)國(guó)家低溫電鏡設(shè)施收集數(shù)據(jù)。

論文共同作者Xiuhua Lin說(shuō)，“我們的生化檢測(cè)開(kāi)始時(shí)有一個(gè)難題，但是一旦我們對(duì)CST-pol-α-primase復(fù)合物進(jìn)行成像并看到它的低溫電鏡結(jié)構(gòu)，一切都立即變得清晰。這讓我們團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人都感到非常滿意。除此之外，這些結(jié)構(gòu)還提供了一些想法，我們現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。”

這些想法中包括更詳細(xì)地捕捉CST-pol-α/primase如何發(fā)揮作用。這些作者還想繪制人類端粒完整復(fù)制過(guò)程，而且他們正在研究一旦端粒的DNA被復(fù)制，CST-pol-α/primase如何終止它自身的活動(dòng)。

Lim說(shuō)，“你不能通過(guò)觀察一個(gè)汽車的單個(gè)部件來(lái)真正研究它是如何移動(dòng)的---你必須把這些部件組裝起來(lái)，觀察它們是如何一起發(fā)揮作用的。但生物分子復(fù)合物往往有許多移動(dòng)部件，以至于難以研究。這就是低溫電鏡單顆粒分析的力量和多功能性的作用所在。這種方法使我們能夠建立一種高分辨率的原子模型，并對(duì)它的移動(dòng)方式提供了關(guān)鍵的見(jiàn)解，這反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了我們對(duì)人類CST-Polα-primase如何發(fā)揮作用的理解?！保ㄉ锕?Bioon.com）

參考資料：

Qixiang He et al. Structures of the human CST-Polα–primase complex bound to telomere templates. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05040-1.