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Science子刊:揭示DNA复制总是从5’端向3’端进行之谜

来源:生物谷 2016-07-15 21:16

2016年7月15日/生物谷BIOON/--通过研究一种逆向反应的酶,科学家们猜测为何DNA复制总是沿着正向进行。

核苷酸链,如DNA和RNA,是由利用另一条互补的链进行复制而进行合成的。这种复制过程总是沿着正向进行的,即从5’端向3’端进行,记为正向反应。在这一过程期间,将要被复制的双链DNA的两条链分开,并且彼此反方向对齐,这就让事情变得更为复杂。

当DNA复制时,其中的一条链能够持续地合成,而另一条链则是先合成出很多片段,然后再连接在一起。生物学上的重大问题之一就是为何细胞没有逆向反应的酶以便两条链能够高效地合成。

最近,科学家们已发现一组被称为Thg1样蛋白(Thg1-like protein, TLP)的酶,而且还发现这些酶在逆向上利用碱基配对的方式将核苷酸加入截断的tRNA分子的5’端上,记为逆向反应。在这个方向上添加核苷酸的情形是非常罕见的。TLP是例外,在逆向上添加核苷酸来修复受损的RNA的“另一端(即5’端)”。

在一项新的研究中,来自日本北海道大学的Min Yao和她的团队利用X射线晶体衍射方法揭示出TLP/RNA复合体结构。这让他们能够认识TLP在逆向上添加核苷酸的复杂机制。相关研究结果近期发表在Science Advances期刊上,论文标题为“Template-dependent nucleotide addition in the reverse (3′-5′) direction by Thg1-like protein”。

他们的结构分析揭示出TLP催化的这种核苷酸添加反应分两步完成:利用ATP/GTP激活tRNA分子的5’端,然后将核苷酸添加到这个末端上。第二步在正向反应中也可观察到。这种逆向反应的独特之处在于开始时招募能量分子,即ATP和GTP。这种酶明显利用招募到的能量分子将合成方向由正向切换到逆向。

研究人员猜测这种逆向进行复制的酶并不用于DNA复制之中,这是因为它需要一种结构上比较复杂的过程。

Yao说,“通过更加详细地比较正向反应和逆向反应的分子机制,我们将能够充分地理解DNA复制的进化环境。”(生物谷 Bioon.com)

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Template-dependent nucleotide addition in the reverse (3′-5′) direction by Thg1-like protein

Shoko Kimura1,*, Tateki Suzuki1,*, Meirong Chen1, Koji Kato1,2, Jian Yu2, Akiyoshi Nakamura3, Isao Tanaka2 and Min Yao

doi:10.1126/sciadv.1501397
PMC:
PMID:

Thg1-like protein (TLP) catalyzes the addition of a nucleotide to the 5′-end of truncated transfer RNA (tRNA) species in a Watson-Crick template–dependent manner. The reaction proceeds in two steps: the activation of the 5′-end by adenosine 5′-triphosphate (ATP)/guanosine 5′-triphosphate (GTP), followed by nucleotide addition. Structural analyses of the TLP and its reaction intermediates have revealed the atomic detail of the template-dependent elongation reaction in the 3′-5′ direction. The enzyme creates two substrate binding sites for the first- and second-step reactions in the vicinity of one reaction center consisting of two Mg2+ ions, and the two reactions are executed at the same reaction center in a stepwise fashion. When the incoming nucleotide is bound to the second binding site with Watson-Crick hydrogen bonds, the 3′-OH of the incoming nucleotide and the 5′-triphosphate of the tRNA are moved to the reaction center where the first reaction has occurred. That the 3′-5′ elongation enzyme performs this elaborate two-step reaction in one catalytic center suggests that these two reactions have been inseparable throughout the process of protein evolution. Although TLP and Thg1 have similar tetrameric organization, the tRNA binding mode of TLP is different from that of Thg1, a tRNAHis-specific G−1 addition enzyme. Each tRNAHis binds to three of the four Thg1 tetramer subunits, whereas in TLP, tRNA only binds to a dimer interface and the elongation reaction is terminated by measuring the accepter stem length through the flexible β-hairpin. Furthermore, mutational analyses show that tRNAHis is bound to TLP in a similar manner as Thg1, thus indicating that TLP has a dual binding mode.

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