北京大學尹玉新團隊揭示DNA損傷修復關鍵復合物的組裝機制
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2020年4月24日，北京大學系統(tǒng)生物醫(yī)學研究所尹玉新團隊在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復合物的組裝機制及其對NHEJ過程的影響。
DNA損傷對基因組穩(wěn)定性構成了重大威脅，因此細胞利用多種機制來保護其基因組完整性，這些機制統(tǒng)稱為DNA損傷反應（DNA damage response，DDR）。在不同類型的損傷中，DNA雙鏈斷裂（double-strand breaks，DSBs）是最嚴重的DNA損傷類型之一。DSB主要通過兩種途徑進行修復：同源重組（homologous recombination，HR）和非同源末端連接（non-homologous end-joining，NHEJ）。同時，非同源末端連接（NHEJ）還參與抗體類別轉換重排（class-switch recombination，CSR），功能障礙端粒融合以及染色體內斷裂修復。因此，NHEJ的發(fā)生和NHEJ的精細調控對于機體而言至關重要。
同源重組修復（HR）以姐妹染色單體的同源序列為模板進行，依賴于核酸酶對DNA末端切除（resection），產生一長段RPA包裹的單鏈DNA。非同源末端連接（NHEJ）則不需要模板直接進行末端連接修復，因此必須要抑制DNA末端切除的進行，才能確保NHEJ的順利進行，而DNA末端切除的抑制機制此前一直是個懸而未決的科學問題。最近多個課題組報道shieldin復合物是位于DNA損傷修復反應53BP1-RIF1通路下游的效應因子，它可以直接結合雙鏈斷裂后產生的單鏈DNA末端，抑制其末端切除，促進NHEJ的轉換進行。然而，shieldin復合物的具體組裝機制目前尚不清楚。
研究團隊通過大量的生化鑒定，制備了均一穩(wěn)定的SHLD3-REV7-SHLD2三元復合物，成功解析了高分辨率的復合物晶體結構。非常重要的是，結構顯示此復合物中REV7存在關閉（C-REV7）和開放（O-REV7）兩種不同的狀態(tài)，并且形成C-REV7-O-REV7構象二聚體。進一步實驗證實，O-REV7對于shieldin復合物的組裝必不可少，構象二聚體界面的關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能夠形成構象二聚體，對正確理解REV7分子的工作機制非常關鍵。
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研究人員還發(fā)現(xiàn)，SHLD3上非常保守的FXPWFP模體能夠結合在C-REV7的表面，這一表面正是跨損傷合成酶REV1結合C-REV7的位置（REV1-REV7復合物的形成易引起腫瘤細胞對化療藥物的不敏感），導致C-REV7只能選擇性結合SHLD3或REV1，由此確定了NHEJ和跨損傷合成修復的互斥關系，這為開發(fā)增強化療作用的新型抗腫瘤藥物提供了結構基礎。
此外，REV7構象二聚體還可能作為平臺結合其它DNA修復蛋白分子如REV3。研究人員首次證實在DSBs發(fā)生后REV3能夠定位到DNA損傷位點，并與REV7構象二聚體發(fā)生物理相互作用，促進損傷修復過程。
總之，此項研究闡明了在DNA修復過程中shieldin復合物的組裝機制，首次證明了REV7構象二聚體的存在和作用，刷新了學界對REV7分子存在形式的認識，為制定針對DNA損傷修復的腫瘤靶向治療和化療策略提供了全新的思路。
北京大學醫(yī)學部優(yōu)博培育計劃梁令和馮嘉汶博士為該論文的共同第一作者，北京大學系統(tǒng)生物醫(yī)學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家蛋白質科學研究設施晶體衍射線站BL18U1和國家蛋白質科學中心鳳凰工程的平臺支持。本課題實施過程中，北京大學基礎醫(yī)學院王嘉東研究員和云彩紅教授提供了大力支持和幫助，清華大學生命科學學院陳柱成教授以及北京大學物理學院毛有東研究員也給予了指導建議。
尹玉新教授長期從事腫瘤系統(tǒng)生物醫(yī)學研究，他的研究得到科技部重大專項、國家自然科學基金重點項目、北京市自然科學基金重點項目和北大-清華生命科學聯(lián)合中心的支持。
相關鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15879-5
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作者簡介
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??? 尹玉新，北京大學講席教授，病理學教授，北大-清華生命科學聯(lián)合中心資深研究員。1997年畢業(yè)于美國北卡羅萊納大學，獲分子生物學和遺傳學博士學位。1999年加入美國哥倫比亞大學教授系列，2008至2018年任北京大學基礎醫(yī)學院院長，現(xiàn)任北京大學系統(tǒng)生物醫(yī)學研究所所長，中國病理生理學會系統(tǒng)生物醫(yī)學專業(yè)委員會主任委員。主要研究方向為腫瘤分子生物學與腫瘤免疫學。2008年回國以來，主持了國家基礎研究重大項目（973計劃）、國家重點研發(fā)計劃蛋白質機器與生命過程調控重點專項，國家自然科學基金重點項目、北京市自然科學基金重大項目等多項國家及部委級課題，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)展機制，并開發(fā)新型腫瘤靶向和腫瘤免疫相關藥物。
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