复旦徐彦辉组解析DNA损伤修复关键蛋白复合体

BioArt按：DNA依赖的蛋白激酶复合物（DNA-PKcs）在非同源末端连接（NHEJ）修复系统中发挥着重要作用，是DNA损伤修复的关键蛋白复合物。尽管在过去的几十年里，科学家们对整套修复系统进行了大量的研究，但是对DNA-PK复合体的结构研究一直进展缓慢，阻碍了对修复系统工作机制的充分理解。8月25日，复旦大学附属肿瘤医院、生物医学研究院徐彦辉课题组在Cell Research杂志发表了题为“Cryo-EM structure of human DNA-PK holoenzyme”的研究论文，解析了6.6埃分辨率的复合物结构，阐明了DNA-PK复合物组装，活性调控和DNA末端保护的分子机制。这项研究工作对DNA-PK的结构和功能研究有重要的推动作用，为后续深入研究DNA损伤修复机制奠定了基础，同时也为治疗肿瘤、免疫缺陷等疾病的小分子药物设计研究工作奠定了基础。

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论文解读：

在生物体内，DNA会经常发生断裂导致基因组的不稳定甚至是细胞变异以及包括肿瘤在内的一些疾病的发生。然而细胞具有完备的DNA损伤修复系统，主要由非同源末端连接（non-homologous end joining，NHEJ）修复和同源重组 (homologous recombination，HR)修复系统组成【1,2】。

DNA依赖的蛋白激酶复合物（DNA-dependent protein kinase catalytic subunit，DNA-PKcs）在非同源末端连接（NHEJ）发挥着重要作用，是DNA损伤修复的关键蛋白复合物【3，4】。当DNA双链断裂损伤发生时，这个复合物中的重要组分之一KU蛋白能及时结合在损伤位点上。紧接着，KU蛋白又将这个复合物的核心组分—DNA-PKcs招募到DNA损伤位点上，与KU蛋白一起保护“伤口”免受细胞微环境中的其他物质的误攻击。与此同时，这一过程带来了DNA-PKcs自身的磷酸化酶功能的增强，这有利于它向周围发出“呼叫信号”，招募其它的蛋白，一起进行“伤口”的修复工作。

在过去的几十年里，科学家们对整套修复系统进行了潜心研究，但由于实验技术问题，DNA-PK复合体一直笼罩着一层面纱，使得研究者们不能清晰的看到这个复合体的结构信息，阻碍了他们对修复系统工作机制的充分理解和针对相关疾病进行的药物设计、筛选。

 

来自徐彦辉课题组的研究人员首先攻克了实验样本制备的难题。不同于以往的使用大量细胞来获取微量的细胞内蛋白做为实验样本，他们采用了高效的哺乳动物细胞表达系统获得了高质量的样本。借助清华大学冷冻电镜平台以及国家蛋白质科学中心（上海）冷冻电镜设施，他们首次解析了DNA-PK复合物6.6埃分辨率的冷冻电镜结构（下图）。

DNA-PK复合物含有四个组分，既催化亚基DNA-PKcs，DNA结合蛋白KU70和KU80，以及DNA，组成为660KDa的全酶复合物。通过结构和生化水平的分析，研究人员发现KU70/80可以诱导DNA-PKcs发生构象变化，使得酶活性区域的“口袋”张开，极大增强其激酶活性。KU80与DNA-PKcs通过形成一个类似“门栓”的结构保护DNA末端，使其不能够被其他蛋白酶降解。

这项研究工作对DNA-PK的结构和功能研究有重要的推动作用，为后续深入研究DNA损伤修复机制奠定了基础，同时也为治疗肿瘤、免疫缺陷等疾病的小分子药物设计研究工作奠定了基础。

据悉，该项工作是复旦大学徐彦辉课题组与清华大学王佳伟课题组合作完成，博士生阴晓彤和刘梦杰为共同第一作者，徐彦辉为通讯作者。该项工作得到了科技部重点研发计划、。国家蛋白质设施（上海）、。

参考文献：

1、Harper JW, Elledge SJ. The DNA damage response: ten years after. Mol Cell 2007; 28:739-745.

2、Lieber MR. The mechanism of double-strand DNA break repair by the nonhomologous DNA end-joining pathway. Annu Rev Biochem 2010; 79:181-211.

3、Chang HHY, Pannunzio NR, Adachi N, Lieber MR. Non-homologous DNA end joining and alternative pathways to double-strand break repair. Nat Rev Mol Cell Biol 2017; 18:495-506.

4、Davis AJ, Chen BP, Chen DJ. DNA-PK: a dynamic enzyme in a versatile DSB repair pathway. DNA Repair (Amst) 2014; 17:21-29.

徐彦辉教授简介

徐彦辉，现任复旦大学附属肿瘤医院研究员、生物医学研究院兼职教授，复旦大学生物医学研究院副院长，国家杰青、长江学者。1999年本科毕业于清华大学生物科学与技术系，2004年获得清华大学博士学位（师从饶子和院士），2004-2007在普林斯顿大学分子生物学系做博士后（施一公院士实验室），2008年起任职复旦大学生物医学研究至今。徐彦辉教授长期从事表观遗传调控的结构与功能研究，系统的阐明了DNA甲基化和组蛋白甲基化修饰关键酶的催化，底物识别和酶活性调节的分子机制。在DNA甲基化和去甲基化调控的分子机制及结构研究方面做出了一系列国际前沿的成果。；发表通讯（或共同通讯）作者论文20余篇。其中包括Nature 2篇（2015年）、Cell 1篇（2013年）、Molecular Cell 2篇（2013，2015）、Nature Communications 2篇 (2016，2015)、Genes & Development 2篇 (2011，2010)。其研究成果得到国内外同行的高度评价（在Faculty 1000，Cell Preview，Nature China，Science Signaling等专门评述），曾多次受邀在重要国际会议上做大会报告。徐彦辉教授近五年曾荣获首届“中国优秀青年科技奖”、“中源协和生命医学奖”、“谈家桢生命科学奖”、“树兰医学青年奖”、“药明康德生命化学奖”、“贝时璋青年生物物理学家奖”、“明治生命科学奖”（杰出奖）、“上海市科学技术协会颁发的“第七届上海青年科技英才”等多个奖项。先后入选中组部首届“青年拔尖人才支持计划“、、“上海市优秀学术带头人”、“曙光学者”和“浦江学者”等人才培养计划。

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