尹玉新團(tuán)隊(duì)揭示DNA損傷修復(fù)關(guān)鍵復(fù)合物的組裝機(jī)制
2020年4月24日，北京大學(xué)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究所尹玉新團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表了題為“Molecular basis for assembly of the shieldin complex and its implications for NHEJ”的研究論文，首次闡釋了shieldin復(fù)合物的組裝機(jī)制及其對(duì)NHEJ過(guò)程的影響。
DNA損傷對(duì)基因組穩(wěn)定性構(gòu)成了重大威脅，因此細(xì)胞利用多種機(jī)制來(lái)保護(hù)其基因組完整性，這些機(jī)制統(tǒng)稱(chēng)為DNA損傷反應(yīng)（DNA damage response，DDR）。在不同類(lèi)型的損傷中，DNA雙鏈斷裂（double-strand breaks，DSBs）是最嚴(yán)重的DNA損傷類(lèi)型之一。DSB主要通過(guò)兩種途徑進(jìn)行修復(fù)：同源重組（homologous recombination，HR）和非同源末端連接（non-homologous end-joining，NHEJ）。同時(shí)，非同源末端連接（NHEJ）還參與抗體類(lèi)別轉(zhuǎn)換重排（class-switch recombination，CSR），功能障礙端粒融合以及染色體內(nèi)斷裂修復(fù)。因此，NHEJ的發(fā)生和NHEJ的精細(xì)調(diào)控對(duì)于機(jī)體而言至關(guān)重要。
同源重組修復(fù)（HR）以姐妹染色單體的同源序列為模板進(jìn)行，依賴于核酸酶對(duì)DNA末端切除（resection），產(chǎn)生一長(zhǎng)段RPA包裹的單鏈DNA。非同源末端連接（NHEJ）則不需要模板直接進(jìn)行末端連接修復(fù)，因此必須要抑制DNA末端切除的進(jìn)行，才能確保NHEJ的順利進(jìn)行，而DNA末端切除的抑制機(jī)制此前一直是個(gè)懸而未決的科學(xué)問(wèn)題。最近多個(gè)課題組報(bào)道shieldin復(fù)合物是位于DNA損傷修復(fù)反應(yīng)53BP1-RIF1通路下游的效應(yīng)因子，它可以直接結(jié)合雙鏈斷裂后產(chǎn)生的單鏈DNA末端，抑制其末端切除，促進(jìn)NHEJ的轉(zhuǎn)換進(jìn)行。然而，shieldin復(fù)合物的具體組裝機(jī)制目前尚不清楚。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的生化鑒定，制備了均一穩(wěn)定的SHLD3-REV7-SHLD2三元復(fù)合物，成功解析了高分辨率的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。非常重要的是，結(jié)構(gòu)顯示此復(fù)合物中REV7存在關(guān)閉（C-REV7）和開(kāi)放（O-REV7）兩種不同的狀態(tài)，并且形成C-REV7-O-REV7構(gòu)象二聚體。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，O-REV7對(duì)于shieldin復(fù)合物的組裝必不可少，構(gòu)象二聚體界面的關(guān)鍵氨基酸殘基的突變可以完全打破兩者之間的相互作用并且顯著影響NHEJ效率。這是首次發(fā)現(xiàn)REV7能夠形成構(gòu)象二聚體，對(duì)正確理解REV7分子的工作機(jī)制非常關(guān)鍵。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，SHLD3上非常保守的FXPWFP模體能夠結(jié)合在C-REV7的表面，這一表面正是跨損傷合成酶REV1結(jié)合C-REV7的位置（REV1-REV7復(fù)合物的形成易引起腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物的不敏感），導(dǎo)致C-REV7只能選擇性結(jié)合SHLD3或REV1，由此確定了NHEJ和跨損傷合成修復(fù)的互斥關(guān)系，這為開(kāi)發(fā)增強(qiáng)化療作用的新型抗腫瘤藥物提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
此外，REV7構(gòu)象二聚體還可能作為平臺(tái)結(jié)合其它DNA修復(fù)蛋白分子如REV3。研究人員首次證實(shí)在DSBs發(fā)生后REV3能夠定位到DNA損傷位點(diǎn)，并與REV7構(gòu)象二聚體發(fā)生物理相互作用，促進(jìn)損傷修復(fù)過(guò)程。
總之，此項(xiàng)研究闡明了在DNA修復(fù)過(guò)程中shieldin復(fù)合物的組裝機(jī)制，首次證明了REV7構(gòu)象二聚體的存在和作用，刷新了學(xué)界對(duì)REV7分子存在形式的認(rèn)識(shí)，為制定針對(duì)DNA損傷修復(fù)的腫瘤靶向治療和化療策略提供了全新的思路。
北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部?jī)?yōu)博培育計(jì)劃梁令和馮嘉汶博士為該論文的共同第一作者，北京大學(xué)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究所尹玉新教授和梁令博士為共同通訊作者。該研究得到了上海張江國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施晶體衍射線站BL18U1和國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心鳳凰工程的平臺(tái)支持。本課題實(shí)施過(guò)程中，北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院王嘉東研究員和云彩紅教授提供了大力支持和幫助，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成教授以及北京大學(xué)物理學(xué)院毛有東研究員也給予了指導(dǎo)建議。
尹玉新教授長(zhǎng)期從事腫瘤系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究，他的研究得到科技部重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。
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作者簡(jiǎn)介
尹玉新，北京大學(xué)講席教授，病理學(xué)教授，北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心資深研究員。1997年畢業(yè)于美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)，獲分子生物學(xué)和遺傳學(xué)博士學(xué)位。1999年加入美國(guó)哥倫比亞大學(xué)教授系列，2008至2018年任北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)，現(xiàn)任北京大學(xué)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)，中國(guó)病理生理學(xué)會(huì)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任委員。主要研究方向?yàn)槟[瘤分子生物學(xué)與腫瘤免疫學(xué)。2008年回國(guó)以來(lái)，主持了國(guó)家基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（973計(jì)劃）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃蛋白質(zhì)機(jī)器與生命過(guò)程調(diào)控重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目等多項(xiàng)國(guó)家及部委級(jí)課題，取得了一系列重要成果。目前正深入研究腫瘤微環(huán)境和腫瘤發(fā)生發(fā)展機(jī)制，并開(kāi)發(fā)新型腫瘤靶向和腫瘤免疫相關(guān)藥物。
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