浙江大學(xué)與美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的研究人員繼2010年解析人類DNA聚合酶η 的分子結(jié)構(gòu)之后，于近期分別在DNA聚合酶的催化反應(yīng)機制以及對順鉑藥物的拮抗作用研究方面獲得了突破性的進展——揭示了新的催化反應(yīng)特點，以及*的抑制劑結(jié)合位點。相關(guān)成果分別公布在期刊Nature與PNAS雜志上。
浙江大學(xué)的生物物理學(xué)博士研究生趙燁為主要完成人之一，指導(dǎo)老師為浙江大學(xué)華躍進教授和美國NIH的楊薇研究員。至此，趙燁在其攻讀博士論文期間以*或共同*作者在Nature發(fā)表論文二篇、PNAS一篇。
DNA經(jīng)常受到內(nèi)源和外界環(huán)境因子的攻擊，從而造成DNA的損傷。其中大部分可以被無誤的DNA修復(fù)機制所識并修復(fù)，但也有一些會因為在復(fù)制過程中沒有被修復(fù)而在染色體上繼續(xù)存在，造成復(fù)制叉的停頓，從而影響細胞的分裂，更加嚴重的會導(dǎo)致細胞的死亡。
為了應(yīng)對這些損傷，細胞進化產(chǎn)生了一種損傷耐受機制，DNA聚合酶η 就是其中一種重要的損傷合成酶。分子結(jié)構(gòu)顯示人類DNA聚合酶η具有一個能夠容納損傷嘧啶二聚體的活性中心以及分子夾板的功能。而另外一方面，強大的跨損傷合成活性也使其對于癌癥治療藥物順鉑具有一定的拮抗作用。
盡管很久以前人們就對DNA聚合酶如何進行化學(xué)反應(yīng)有所了解，但由于研究手段的局限性，具體的反應(yīng)過程仍然是一個相對未知的領(lǐng)域。在第二篇題為“Watching DNA polymerase η make a phosphodiester bond”的文章中，研究人員巧妙的利用晶體內(nèi)聚合酶反應(yīng)速率減弱的特性，在晶體內(nèi)觀測到了完整的DNA聚合酶化學(xué)反應(yīng)過程。
研究清晰的描述了反應(yīng)順序首先為引物鏈的3’末端羥基去質(zhì)子化，緊接著末端的脫氧核糖構(gòu)象由C2’-endo變?yōu)镃3’-endo并zui終完成對于dATP的親核攻擊，形成新的磷酸二酯鍵。同時在反應(yīng)過程中*次觀察到了第三個鎂離子的出現(xiàn)，其作用很有可能是中和化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的大量負電荷，穩(wěn)定反應(yīng)的中間體。這些發(fā)現(xiàn)大大提高了人們對于雙向金屬離子介導(dǎo)的核苷酸轉(zhuǎn)移機制的認識。
在*篇題為“Structural basis of human DNA polymerase η-mediated chemoresistance to cisplatin”的文章中，研究人員首先通過體外延伸及穩(wěn)態(tài)動力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)人類DNA聚合酶η只能夠在順鉑交聯(lián)的損傷DNA處進行正確的插入而無法有效的進行延伸，這意味著很有可能需要其他的DNA聚合酶接手去完成整個跨損傷合成過程。同時通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)的進一步分析也對各個步驟的合成效率進行了系統(tǒng)的解釋。
有趣的是在結(jié)構(gòu)解析的過程中，研究者發(fā)現(xiàn)了一個對于人類DNA聚合酶η來說可能的特異性抑制劑結(jié)合位點。該位點通過與W297殘基以類似于堿基堆積的方式相互作用，并且得到了體外實驗的驗證--高濃度的dATP對于 聚合酶的合成效率有很強的抑制效果。這一發(fā)現(xiàn)也為抗癌藥物的研發(fā)提供了新的思路。
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