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杜立林实验室发现一种新的基因组爱慕体制

2014年9月9日,我所杜立林实验室在《PLOS Biology》杂志发表题为“Fission Yeast Pxd1 Promotes Proper DNA Repair by Activating Rad16XPFand Inhibiting Dna2”的文章。该文章报道了裂殖酵母中的一个蛋白Pxd1通过调控两个不同的核酸内切酶从而确保DNA损伤修复获到最好的结果。

2017年5月25日,我所杜立林实验室在《Molecular Cell》在线发表题为“SUMO-TargetedDNA Translocase Rrp2 Protects the Genome from Top2-Induced DNA Damage”的研究论文。该论文发现一个名为Rrp2的DNA移位酶通过阻止DNA拓扑异构酶Ⅱ的降解来避免Top2毒剂所造成的基因组损伤。

DNA损伤修复在维持基因组稳定性中起到至关重要的作用。在损伤修复过程中产生的DNA中间产物需要由结构特异性内切酶进行剪切加工。Rad16XPF和Dna2是两个功能比较清楚的结构特异性内切酶,其中Rad16XPF在核苷酸切除修复等过程中起作用,而Dna2在DNA复制和双链断裂末端加工过程中起作用。但是目前关于它们如何在细胞内被调控依然知之甚少。

Top2毒剂通过稳定Top2反应过程中形成的Top2与DNA共价连接的中间体,对基因组稳定性造成影响。一些Top2毒剂如依托泊苷等被应用于癌症的临床治疗。还有多种Top2毒剂以天然产物的形式在自然界和人们的日常饮食中广泛存在。因此研究细胞抵御Top2毒剂的机制有重要的理论和应用意义。

利用裂殖酵母作为模式生物,该项研究通过亲和纯化偶联质谱的方法,发现两个核酸酶复合体Rad16XPF-Swi10ERCC1和Dna2-Cdc24被一个全新蛋白Pxd1连接从而组装形成更大的复合体。进一步的遗传和生化分析表明,Pxd1能够通过其中间区域与Rad16-Swi10结合,并激活Rad16-Swi10的3’核酸酶活性,进而促进Rad16-Swi10在单链退火修复等修复过程中的作用。但是Pxd1的缺失并不影响Rad16-Swi10在核苷酸切除修复中的作用,这表明Pxd1是修复途径特异的Rad16-Swi10的正向调节因子。

杜立林实验室的研究人员通过对裂殖酵母全基因组缺失突变体文库的筛选发现DNA移位酶Rrp2的缺失会显着增强细胞对依托泊苷的敏感性。这一表型与Top2的苏素化修饰相关。他们证明在Rrp2缺失突变体中,苏素靶向的泛素连接酶(SUMO-targeted ubiquitin ligase, STUbL)促进被苏素修饰的Top2的降解,从而在基因组上有共价连接的Top2的位置造成更严重的DNA损伤。Rrp2具有苏素结合能力,能与STUbL竞争结合被苏素修饰的Top2分子;同时Rrp2利用移位酶活性,将被苏素修饰的Top2从DNA上移除。通过上述两种机制,Rrp2抑制了STUbL对Top2的降解。另外,他们还发现芽殖酵母中Rrp2的同源蛋白Uls1也行使类似的抵御Top2毒剂的功能,说明这一基因组保护机制在真核生物中普遍存在。

另外,该项研究发现Pxd1通过其C端区域与Dna2-Cdc24结合,并抑制RPA对Dna2的5’核酸酶活性的激活,从而减弱Dna2-Cdc24在DSBresection过程中的作用。在SSA修复过程中,Pxd1一方面通过激活Rad16来促进修复的完成,与此同时通过抑制Dna2的活性以避免过度的基因组缺失。

杜立林实验室博士后魏祎为论文的第一作者。论文的其他作者还包括杜立林实验室的研究生刁丽雪、博士后王海涛、生物信息分析员索芳以及董梦秋实验室的卢珊博士和董梦秋博士。杜立林博士为本文的通讯作者。此项研究由科技部、北京市政府和国家自然科学基金资助,在北京生命科学研究所完成。

该文章的第一作者为北京生命科学研究所和北京协和医学院联合培养的博士研究生张家民。杜立林实验室博士生刘晓曼、PTN项目轮转学生熊梁尧、杜立林实验室技术员任静怡、和董梦秋实验室丁曰和博士在本工作中也做出了重要贡献。其他作者还包括杜立林实验室周智雄、王海涛、于洋,董梦秋实验室张美俊,和董梦秋博士。杜立林博士为本文的通讯作者。此项研究由科技部和北京市政府资助,在北京生命科学研究所完成。

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