近日，來自中國科學(xué)院生物物理研究所，山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的研究人員發(fā)表了題為“Crystal structures of aprataxin ortholog Hnt3 reveal the mechanism for reversal of 5′-adenylated DNA”的文章,，研究成果由王大成院士研究組和江濤研究組研究人員共同完成,，在研究中他們揭示了與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的重要蛋白Aprataxin同源物Hnt3與DNA復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展,，該研究成果刊登在國際著名雜志Nature Structural & Molecular Biology雜志上,。
DNA損傷正常修復(fù)的錯(cuò)失會(huì)導(dǎo)致多種疾病，其中最具代表性的是神經(jīng)功能紊亂,，遺傳不穩(wěn)定增加及癌癥,。在各種不同類型的DNA損傷中，單鏈斷裂最常見,，每天在細(xì)胞中發(fā)生的頻率成千上萬,，如果修復(fù)錯(cuò)失即導(dǎo)致疾病。近期發(fā)現(xiàn)一種遺傳性神經(jīng)變性病I型共濟(jì)失調(diào)伴眼動(dòng)失能癥(AOA1）與一類DNA 單鏈損傷修復(fù)蛋白Aprataxin相關(guān),，編碼該蛋白的基因APTX 的突變直接導(dǎo)致AOA1的發(fā)生,。AOA1 是一種神經(jīng)系統(tǒng)紊亂疾病，主要病征為小腦萎縮,，感覺神經(jīng)病變，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)喪失,，眼動(dòng)不能等進(jìn)行性殘疾病損,，患者將終結(jié)于輪椅生活。已知AOA1廣泛分布于英,、美,、德、法,、澳,、意、日,、葡等國家,。 顯然，揭示這一過程的分子機(jī)理具有重要意義,。
研究確認(rèn),，Aprataxin 是一種DNA單鏈損傷修復(fù)酶，可直接催化去除單鏈斷口污染加合物上的5’-腺苷酸,，使因錯(cuò)失而中斷的DNA連接反應(yīng)得以逆轉(zhuǎn),。Hnt3蛋白是人源Aprataxin在裂殖酵母中的直系同源物，它們間具有基本相同的生化,、分子生物學(xué)和功能特性,。該文報(bào)道了Hnt3蛋白及其與缺口DNA,、反應(yīng)產(chǎn)物AMP復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)及其功能作用的結(jié)構(gòu)機(jī)理。三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)組建了一個(gè)獨(dú)特的Hnt3與DNA辨識(shí),、作用和反應(yīng)的分子平臺(tái),，反映了Hnt3在反應(yīng)前和反應(yīng)后與產(chǎn)物結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子細(xì)節(jié)，包括：（1）Hnt3/Aprataxin是廣泛存在的組氨酸三聯(lián)體（HIT）超家族的特殊成員,，由二個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成：活性位點(diǎn)HIT domain,，DNA結(jié)合位點(diǎn)ZF domain，它們像兩只“分子手”各自與DNA單鏈相互作用,，跨越9-bp DNA雙螺旋區(qū),，覆蓋DNA主槽表面；（2）其間復(fù)雜的相互作用使靠近斷口的DNA彎折,，擾動(dòng)缺口上的‘污染物’（5’-腺苷酸）構(gòu)象外翻并‘脆弱化’,，形成有利于反應(yīng)的底物活化結(jié)構(gòu)；（3）在此基礎(chǔ)上,，通過HIT超家族通用的催化機(jī)理切除‘污染分子’,，完成對(duì)切口阻斷的校正；(4) Hnt3 只與DNA主鏈作用,，無序列依賴性,，它只對(duì)腺苷酸化的DNA缺口敏感，是一個(gè)不受化學(xué)專一性制約通用校正器,。結(jié)構(gòu)研究揭示,，Hnt3/Aprataxin通過這一復(fù)合物相互作用平臺(tái)，以缺口感受器和單鏈斷口校正器發(fā)揮功能作用,；（5）上述以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的主要機(jī)理性結(jié)論與目前已經(jīng)報(bào)道的相關(guān)生化和分子生物學(xué)研究結(jié)果基本一致,，因此這一結(jié)構(gòu)反映了生理狀態(tài)下DNA腺苷酸化的組裝模式，揭示了Hnt3/Aprataxin突變導(dǎo)致AOA1神經(jīng)疾病的主要分子機(jī)制和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),。
與此同時(shí),，該研究通過定點(diǎn)突變及其與DNA相互作用實(shí)驗(yàn)揭示了Hnt3發(fā)揮功能的若干關(guān)鍵氨基酸，揭示Aprataxin 多種致病突變體是通過不同方式（如損害其與底物DNA的親和力和去腺苷化酶活性,，降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等）干擾DNA損傷的正常修復(fù),，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
該研究對(duì)AOA1神經(jīng)變性疾病的發(fā)生機(jī)制提供了精確,、定量的新知識(shí),、新原理，從而成為針對(duì)該類疾病創(chuàng)新生物醫(yī)藥研發(fā)的重要基礎(chǔ),。
這項(xiàng)工作主要由生物物理所的龔勇副研究員,、山東大學(xué)的朱德裕講師和生物物理所的丁璟珒助理研究員等共同完成，該項(xiàng)研究課題得到了科技部,，國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的資助,。（生物谷Bioon.com）
doi: 10.1038/nsmb.2145
PMC:
PMID:
Crystal structures of aprataxin ortholog Hnt3 reveal the mechanism for reversal of 5′-adenylated DNA
Yong Gong,Deyu Zhu,Jingjin Ding,Chuan-Na Dou,Xiaoming Ren, Lichuan Gu,Tao Jiang& Da-Cheng Wang
Aprataxin is a DNA deadenylase that resolves DNA 5′-AMP termini and reverses abortive DNA ligation. The crystal structures ofSchizosaccharomyces pombe aprataxin Hnt3 in its apo form and in complex to dsDNA and dsDNA–AMP reveal how Hnt3 recognizes and processes 5′-adenylated DNA in a structure-specific manner. The bound DNA adopts a 5′-flap conformation that facilitates 5′-AMP access to the active site, where AMP cleavage occurs by a canonical catalytic mechanism.
