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生研院黃俊課題組在Molecular Cell雜志發表論文提出DNA復制過程中“雞爪結構”形成的新模型

時間:2020-12-09

2020128日,生研院黃俊實驗室在Molecular Cell雜志上在線發表了題為“The ZATT-TOP2A-PICH axis drives extensive replication fork reversal to promote genome stability”的研究文章。該研究揭示了復制叉翻轉(Fork reversal)過程中通過ZATT-TOP2A-PICH軸調控復制叉進一步翻轉的分子機制,提出了復制叉翻轉的兩步調控模型。

DNA的精確復制對于維持基因組穩定性至關重要。然而復制叉時常會遭受來自細胞內外的復制壓力而停滯,如果無法及時重新起始,將造成復制叉崩塌,影響基因組穩定性甚至導致細胞死亡。1976年Higgins N. Patrick等人在研究復制相關的損傷修復時,在哺乳動物細胞中觀察到了一種Holliday Junction的結構。他們猜測該結構形成的原因是復制叉停滯后,兩條新合成的DNA鏈與親代DNA鏈解開后發生退火而翻轉,進而將正常的復制叉結構重塑成Holliday Junction結構(圖一),該過程也被稱為復制叉翻轉。由于Holliday Junction結構的形狀與雞爪相似,生物化學教科書中也通常將其稱為雞爪結構 (chicken foot)。檢測技術的限制,直到2002年José M. Sogo等人才在檢驗點缺陷的酵母細胞中觀察到雞爪結構,雞爪結構也因此被認為是復制失敗的副產物,其生理意義一直存在爭議。近年來研究表明,在高等真核生物細胞中,復制叉翻轉是由PARP1介導的應對復制壓力的關鍵調控機制,酵母中由于缺乏PARP基因,因而在正常生理條件下極少能夠觀察到雞爪結構的存在。

新合成的鏈與親代DNA鏈解開產生拓撲張力

該研究首次提出了雞爪結構是通過兩步級聯反應而形成的新模型(圖一)。第一步,在復制叉遭遇復制壓力時,復制叉發生停滯,由轉位酶HLTF、ZRANB3、SMARCAL1等蛋白催化復制叉的初始翻轉,同時在復制叉后方新合成的DNA雙鏈上產生拓撲張力;第二步,拓撲異構酶TOP2A釋放拓撲張力,通過SUMO化修飾招募轉位酶PICH促進復制叉的深度翻轉。進一步的功能研究表明,復制叉的深度翻轉對于維持基因組穩定性至關重要。

黃俊博士實驗室的博士研究生田甜、卜敏、陳旭、丁林麗和陽玉蘭為論文共同第一作者,黃俊教授為通訊作者。該研究工作也得到了北京大學李晴教授的大力支持。該研究受到國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、霍英東青年教師基金等項目的資助。


原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.11.007