Cryo-EM使研究小组能够研究DNA复制机制是如何组装的

低温电子显微镜(cryo-EM)使研究人员能够研究DNA复制机制是如何在DNA受损的地方组装的。

细胞DNA持续暴露于内源性和外源性DNA损伤剂，如活性氧和紫外线辐射。为了减少DNA损伤的生物学后果，所有生物都进化出了耐受和修复DNA损伤的机制，以确保遗传信息被准确地遗传下来。其中一种机制被称为翻译合成(TLS)，允许DNA复制通过未修复的DNA损伤进行。

TLS涉及高度精确的DNA合成酶(可复制的DNA聚合酶)，被临时替换为专门的、低保真的TLS聚合酶，可以以引入突变为代价确保细胞存活。TLS聚合酶的诱变和翻译合成活性可导致正常细胞癌变或癌细胞耐药。

y家族TLS聚合酶Pol K能够跨多个受损碱基进行DNA合成，并通过增殖细胞核抗原(PCNA)被招募到DNA损伤处。先前的研究表明，PCNA受泛素化调控。KAUST的结构生物学家Alfredo De Biasio说:“在PCNA的赖氨酸残基164 (K164)上添加单个泛素分子有助于TLS聚合酶招募和保留到损伤位点，但这些聚合酶和泛素化PCNA之间相互作用的结构基础尚不清楚。”

自2018年以来，德比亚西奥的团队一直在与萨米尔·哈姆丹(Samir Hamdan)领导的实验室合作，萨米尔是人类DNA复制单分子分析专家。他们一直在使用低温电子显微镜来研究参与DNA复制和修复的关键蛋白质复合物的三维结构和功能。

他们的最新研究以近原子分辨率描述了与DNA、输入核苷酸和未修饰的PCNA或单泛素化PCNA结合的全长人类Pol K的冷冻电镜重建。他们发现，在没有DNA的情况下，Pol K与PCNA结合的结构是高度灵活的，这表明与DNA结合是形成刚性和活性复合物所必需的。

Hamdan团队的高级研究员、该研究的联合主要作者Muhammad Tehseen进行了关键的功能研究，阐明了PCNA泛素化如何调节Pol K的活性。

“我们的数据提供了一个结构框架来解释PCNA如何将y家族TLS聚合酶招募到DNA损伤位点，”Tehseen解释道。由于y家族聚合酶之间高度的结构域守恒，在Pol K-DNA-PCNA复合物中观察到的一些结构特征可能适用于其他TLS聚合酶配合物。

他总结说:“通过了解形成这些复合物的蛋白质之间的相互作用以及它们是如何被调节的，我们可以确定减少或增加它们在医疗应用中的功能的方法。”

参考:张志刚，张志刚，张志刚，等。人Pol κ结合DNA和单泛素化PCNA的Cryo-EM结构。Nat Commun．2021; 12(1): 6095。doi:10.1038 / s41467 - 021 - 26251 - 6

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