酿酒酵母中DNA复制检验点中介蛋白Mrcl及其与DNA复合物的结构研究

发布时间：2020-05-13 05:45

【摘要】：物种要延续下去,保存遗传信息并将其完整无误地传递给后代是十分重要的。这一过程依赖于完整可靠的DNA复制过程。DNA复制过程如果变得不稳定或者失去控制,无法保证各类遗传信息的正确传递和表达,就会造成生物体的各种缺陷及包括癌症在内的各类疾病甚至死亡。生物体已经拥有了一套强大完整的DNA复制体系来完成遗传物质的传递。但是复杂的体系也会有失灵的风险,为了应对这些风险,生物体配置了对应的DNA复制检验点机制以及修复机制。复制检验点维持真核细胞的基因组稳定性。在每一个周期的基因组复制过程中,细胞不可避免地受到内源性或外源性复制应激的挑战,包括异常的DNA结构、DNA损伤、蛋白质阻碍、癌基因诱导的异常复制、dNTP或组蛋白供应不足、复制转录冲突等等。复制检验点又称S期检验点,它帮助细胞应对上述挑战,确保在整个基因组复制前进行正确的复制叉进程。除了复制基因组外,DNA复制叉还为许多在DNA复制检查点起作用的信号蛋白提供了一个组装平台。在酿酒酵母中,Mec1在DNA复制检验点通路中处于核心地位,它参与感知停滞的DNA复制叉,是哺乳动物细胞中ATR的同源蛋白。Ddc2(哺乳动物ATRIP同源蛋白)作为Mec1的调节亚单位,与Mec1形成蛋白质复合物。Mec1-Ddc2复合物通过复制蛋白A(RPA)包裹的单链DNA被招募到停滞的复制叉处。Hus1、Rad1和Rad9是复制检查点所需的另外三种蛋白质,它们形成的三聚体复合物与PCNA较为相似。这个三聚体在酿酒酵母中的同源物是Mec3-Rad1-Ddc1。复制检查点的另一个必要因素是Rad17(酿酒酵母中为Rad24),它类似于一个RFC亚单位,并且与RFCs2-5结合形成复合物。有人提出,与PCNA和RFCs1-5类似,Rad24-RFC复合体将Mec3-Rad17-Ddc1复合体加载到DNA损坏或复制受阻的位置。一旦被加载,Mec3-Rad17-Ddc1复合物会激活Mec1。Mrc1(mediator of replication checkpoint)是DNA复制体的一个组成部分,在DNA合成过程中随复制叉沿着染色体移动。MRC1的缺失导致DNA复制缺陷,表明其在DNA复制的正常进展中的作用。同时,Mrc1也参与酿酒酵母和裂殖酵母细胞对羟基脲的反应。当DNA复制被羟基脲阻断时,Mrc1会经历Mec1和Rad3(Mec1的S.Pombe同源蛋白)依赖的磷酸化,Mrc1作为中介体,参与将复制应激信号从Mec1传递到Rad53效应激酶的过程。而在这个过程中,Rad24-RFC同样起着重要作用,可能参与调节Mrc1的磷酸化。有文献报道,磷酸化的Mrc1会将Mec1对Rad53的激活效率提高70倍左右。尽管人们对Mrc1在复制检查点中的作用进行过许多研究,然而,Mrc1的结构特征如何,与DNA有怎样的相互作用,与Rad24-RFC存在着怎样的相互作用且两者的相互作用受何种因素影响,这些问题都还没有任何信息。为了解决这一问题,我首先尝试在酿酒酵母S.cerevisiae中内源纯化Mrc1,通过酵母同源重组的方法改造基因组,在目的基因后加入TAPm标签,再通过亲和层析的方法获得Mrc1。但由于体内与Mrc1相互作用的蛋白很多,且Mrc1的本底表达水平较低,这种本底表达后内源纯化的策略很不适用。幸运的是,我们获得了来自中国农业大学楼慧强实验室的馈赠——pGEX-4T-3-Mrc1重组表达质粒,可以在大肠杆菌重组表达系统中较好地表达全长的Mrc1。此外,我又在大肠杆菌中重组表达了酿酒酵母截短的Mrc1,获得了质量较好的Mrc1(287-1096AA)。我们利用体外孵育,得到了Mrc1(287-1096AA)与5' flap DNA的复合物。通过电镜三维重构的方法,我们解析了 Mrc1的第一个负染电镜结构,了解到Mrc1是一个接近环状的中介体蛋白,它可以将DNA“握住”,作为复制体的一部分,沿着DNA滑动。另外,我们还重组表达了Mrc1(1-567AA),将其与5' flap DNA进行了体外孵育,通过电镜分析发现,截短后的Mrc1,无论是Mrc1(287-1096AA)还是Mrc1(1-567AA),与DNA的亲和力都有明显提高,这可能是截短后Mrc1的DNA结合区域暴露出来的缘故。我们由此猜测,Mrc1的C端与N端之间存在一种别构调节,当C端与N端相互作用形成后,会别构抑制C端一侧的DBD与DNA的亲和力。DNA的正确顺利复制是保证遗传信息稳定性的关键步骤,复制体如何结合DNA,产生复制压力后复制体如何响应并传递信号到下游通路,这是一个极其重要的课题。本文的工作以中介体蛋白Mrc1为切入点,通过电镜分析,阐述了Mrc1作为复制体的一部分,它整体趋于环状中心有孔洞的结构特征、且通过中心孔洞与DNA的结合及它与clamp loader Rad24-RFC的相互作用,更加丰富地认识了 Mrc1在DNA复制及复制压力应激反应中所发挥的作用,丰富了人们对复制叉行进及复制检验点的认识。
【图文】：

图１－１真核生物复制起始过程示意图（0，邋Ｄｏｎｎｅｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．，２0ｌ３）逡逑注：真核生物通过将起始事件分为细胞周期的不同阶段，并对ＤＮＡ复制的起始机种调控过程，达到了精细的控制水平。Ｐｒｅ－ＲＣ的形成发生在快速增殖的真核细胞结束期间或细胞周期的Ｇ１期，但ＭＣＭ２－７螺旋酶在加载到ｄｓＤＮＡ后仍然不活跃。叉的建立是由多种因子（最重要的是ＣＤＣ４５和ＧＩＮＳ．）的染色质结合来调节的，够激活ＭＣＭ２－７螺旋酶活性。在Ｓ期，ＣＤＣ６和ＣＤＴ１蛋白通过选择性蛋白降解或除，从而阻止了邋ＭＣＭ２－７在Ｓ期的进一步加载和再活化。复制原点是由ＭＣＭ２－７结束期或Ｇ１期加载，然后在Ｓ期激活。通过将螺旋酶加载和ＤＮＡ合成步骤分为两个不同阶段，真核生物阻止复制原点多次启动。复制后，细胞进入Ｇ２期，然。逡逑３逡逑

Ｖ邋ｓｔｒａｎｄ逡逑．魏逡逑图１－２真核生物复制叉组分示意图（Ｏ’邋Ｄｏｎｎｅｌｌ邋ｅｔ邋ａＬ，邋２０１３）逡逑图注：图片提出了一种真核生物复制体的结构。ＭＣＭ２－７螺旋酶围绕着主链，，通过与ＧＩＮＳ和逡逑ＣＤＣ４５结合起来形成ＣＭＧ复合体，对ＤＮＡ双链进行解旋。ＲＦＣ邋ｃｌａｍｐ邋ｌｏａｄｅｒ反复将ＰＣＮＡ邋（增殖逡逑细胞核抗原）ｃｌａｍｐ加载到由Ｐｏｌ邋ａ－ｐｒｉｍａｓｅ形成的滞后链引物上。与大肠杆菌不同，ｃｌａｍｐ逡逑４逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q75

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本文编号：2661493