中國科大首次揭示基因組穩(wěn)定性調控最核心激酶ATR的激活機制
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中國科學技術大學蔡剛課題組，與南京農業(yè)大學王偉武課題組合作，首次揭示了ATR-ATRIP復合體的近原子分辨率結構，揭示了ATR激酶活化的分子機制，為研制新型ATR激酶抑制劑用于腫瘤治療奠定了結構基礎，該研究成果以“ 3.9 ??structure of the yeast Mec1-Ddc2 complex, a homolog of human ATR-ATRIP” 為題發(fā)表于12月1日出版的《Science》雜志上。
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基因組穩(wěn)定性維持是一切生命活動的基礎，然而，多種外源和內源因素作用下產生的廣泛DNA損傷和復制壓力，構成了基因組不穩(wěn)定的主要來源。ATR激酶負責啟動細胞對基因組不穩(wěn)定的響應和修復，一旦感應到DNA損傷和復制叉壓力會迅速活化，直接磷酸化細胞內超過1000個重要底物（包括抑癌基因p53編碼蛋白、細胞周期調控蛋白等），全局性地調控基因組的穩(wěn)定。ATR及其參與的信號通路對基因組穩(wěn)定，腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和治療至關重要。真核生物生存嚴格依賴ATR激酶的活性，然而，ATR激酶活化的具體分子機制尚不清楚。
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基因組不穩(wěn)定性和易突變是腫瘤細胞的一個基本特征，通常伴隨著大量穩(wěn)定和修復基因組DNA的功能缺失，因此癌細胞更加依賴ATR激酶。大量功能和臨床前的實驗數據表明ATR激酶抑制劑能直接高效殺死腫瘤細胞；此外，常規(guī)的化療和放療更進一步加劇了腫瘤細胞的基因組不穩(wěn)定性，抑制ATR活性能協(xié)同增強常規(guī)腫瘤治療對癌細胞的殺傷活性。因此，ATR激酶抑制劑在癌癥治療上具有重要應用前景，目前已經有兩種ATR抑制劑進入了臨床試驗，但是，現有抑制劑的特異性和穩(wěn)定性有待加強；研制新型的ATR抑制劑在腫瘤治療上具有重要臨床應用價值和意義。
隨著冷凍電鏡技術的迅猛發(fā)展，ATR激酶結構解析的競爭非常激烈，國內外的競爭對手都擁有最好的冷凍電鏡平臺、計算平臺和深厚基礎的研究團隊。蔡剛課題組在中國科大高端冷凍電鏡平臺尚未建成、計算平臺和成熟研究團隊短缺的不利條件下，蔡剛教授親力親為帶領王雪娟副研究員和實驗室成員，全力拼搏努力。在中科院生物物理所生物成像中心收集高端冷凍電鏡數據，三維重構在租用公司的GPU服務器和微尺度國家實驗室資助下組裝的GPU工作站上完成。主要的研究工作由王雪娟副研究員和蔡剛教授共同完成；其中，王雪娟完成了ATR活性測定、冷凍樣品制備、三維重構、、結構分析、與南農王偉武教授合作搭建原子結構模型等高度挑戰(zhàn)的工作。
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蔡剛教授課題組成功解析了來源酵母的ATR激酶及其結合蛋白ATRIP復合物（ATR-ATRIP）的近原子分辨率（3.9 ?）結構，發(fā)現細胞內的?ATR以ATR-ATRIP異二聚體的同源二聚體的形式存在。已鑒定的和ATR激活直接相關的ATR PRD結構域和ATRIPcoiled-coil構成了最主要的ATR-ATR和ATRIP-ATRIP同源二體的作用界面；鑒定了PRD和Bridge結構域是調節(jié)ATR生物學功能的關鍵位點，并發(fā)現這兩個關鍵調節(jié)位點在mTOR，ATM和DNA-PKcs等激酶中高度保守；清晰揭示了在未激活狀態(tài)下，ATR激酶的活化環(huán)（activation loop）被其PRD結構域，通過一個特異性的疏水性相互作用所錨定，因而，被鎖定在待激活狀態(tài)。ATR特異性激活蛋白可以利用其高度保守的疏水殘基競爭性地解除PRD對活化環(huán)的抑制，迅速活化ATR的激酶。該成果不僅揭示了ATR激酶活化的分子機制，具有幫助闡明基因組穩(wěn)定性調控機制的重大科學意義；也揭示了ATR激酶上PRD和Bridge等調控位點可用于指導新型ATR激酶抑制劑的設計，為腫瘤治療新型藥物的研發(fā)提供了重要結構基礎。
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本研究工作得到了國家科技部（2014CB910700 和2013CB910200）、自然科學基金委優(yōu)秀青年基金（31222017）以及合肥微尺度物質科學國家實驗室的資助。
文章鏈接：http://science.sciencemag.org/content/358/6367/1206.full
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