結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究團隊揭示葉綠體DNA重組修復(fù)的分子機制
（通訊員 洪思行）2020年3月17日，Nature Communications在線發(fā)表了我校作物遺傳改良國家重點實驗室、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究團隊解析葉綠體DNA重組修復(fù)的最新研究成果。成果論文以“Structural insights into sequence-dependent Holliday junction resolution by the chloroplast resolvase MOC1”為題，解析了植物葉綠體Holliday junction解離酶序列特異性識別和切割DNA的分子機制。
研究人員介紹，Holliday junction（HJ）是由英國生物學(xué)家Robin Holliday提出的DNA分子間的十字交叉結(jié)構(gòu)，是同源重組過程中一類重要的DNA中間體，其對于DNA損傷修復(fù)，以及保持物種遺傳多樣性等具有重要意義。而這種特殊的DNA結(jié)構(gòu)必須在解離酶的作用下及時解離成雙鏈線性的DNA才能保持基因組DNA的穩(wěn)定性。HJ解離酶在噬菌體，細菌，真菌，植物和動物中是廣泛存在的。雖然這類酶的序列同源性不高，但它們發(fā)揮作用的機理有一定的相似性。然而，HJ解離酶對DNA序列依賴的結(jié)構(gòu)解離的分子機制卻一直未知。
在本研究中，作者解析了植物葉綠體HJ解離酶MOC1單體以及結(jié)合HJ的復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)。MOC1以二聚體形式發(fā)揮功能。其中，HJ鑲嵌在二聚體MOC1的兩個凹槽中。通過結(jié)構(gòu)分析，鑒定了其中四個酸性氨基酸組成了催化四連體，負責切割DNA堿基間的磷酸二酯鍵。最重要的發(fā)現(xiàn)是，本研究鑒定了一個重要的DNA堿基識別環(huán)(base recognition loop, BR loop)，其中有兩個關(guān)鍵的氨基酸參與了junction位置C-G堿基對的打開，以及特定的DNA堿基識別，從而決定了序列識別以及切割的特異性。綜合晶體結(jié)構(gòu)解析和系統(tǒng)的生化實驗驗證，本研究從分子水平上對于HJ解離酶序列特異性切割HJ的科學(xué)問題進行了解答。
通過結(jié)構(gòu)序列比對分析，作者發(fā)現(xiàn)這類BR loop在其他物種的HJ解離酶如細菌RuvC，酵母Ydc2中是保守存在的。因此，本研究鑒定的BR loop對其它類型特異性識別和切割DNA的HJ解離酶，具有普通的參考意義。
閆俊杰博士、研究生洪思行為本論文共同第一作者，殷平教授為論文通訊作者。校級蛋白質(zhì)平臺為該研究的開展提供了強有力的支持。上海同步輻射光源（SSRF）為數(shù)據(jù)收集提供了幫助。該研究受到了科技部基金、國家自然科學(xué)基金-優(yōu)青基金和青年基金、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科技自主創(chuàng)新基金、中國博士后基金的資助。閆俊杰博士特別鳴謝學(xué)校優(yōu)秀博士后持續(xù)職業(yè)發(fā)展基金項目的支持。
據(jù)悉，本研究工作是該研究團隊在葉綠體基因表達調(diào)控領(lǐng)域系列研究工作的新突破。團隊揭示了葉綠體轉(zhuǎn)錄后調(diào)控蛋白PPR家族特異性識別RNA堿基的分子機制及潛在應(yīng)用（Shen et al., 2015, Molecular Plant; Shen et al., 2016, Nature Communications; Yan et al., 2019, Nucleic Acids Research）；揭示了葉綠體RNA編輯因子MORF蛋白調(diào)控靶標RNA識別的分子機制（Yan et al., 2017, Nature Plants；Yan et al., 2018，Science China Life Sciences）
審核人：殷平
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15242-8
圖. 葉綠體MOC1-HJ復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)以及催化機制分析
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