DNA聚合酶的保真性主要通过在碱基插入位点的碱基识别实现,为研究DNA聚合酶的碱基识别机理很多非天然碱基被设计和合成,这些研究表明在DNA聚合酶活性位点形成Watson-Crick空间构象对于碱基识别至关重要。除了人工设计的非天然碱基,DNA上也存在天然修饰碱基,比如5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5mC)被认为是第五种碱基,具有重要的生物学功能。另外,在DNA主动去甲基化过程氧化生成5-醛基胞嘧啶(5-formylcytosine,5fC)等衍生物。近期北京大学生命科学学院伊成器(点击查看介绍)课题组发现化合物丙二腈和1,3-茚二酮可以特异性标记基因组上的5fC,分别生成非天然胞嘧啶碱基M-fC和I-fC。 M-fC/I-fC在DNA复制过程特异性实现C到T转变,这难以用现有的碱基识别机理解释。最近,伊成器课题组和北京大学化学与分子工程学院高毅勤(点击查看介绍)课题组通过晶体学实验和化学模拟计算结合,从分子层面解析了M-fC/I-fC实现C到T转变非分子机理。
研究人员首先解析了M-fC/I-fC在DNA双链上与dA配对的晶体结构,结果显示M-fC/I-fC与dA配对的空间构象与正常dT:dA配对的空间构象基本一样,这说明M-fC/I-fC可以和dA在DNA双链上以Watson-Crick空间构象配对。为探究非天然胞嘧啶碱基在DNA复制过程怎样和进入DNA聚合酶活性位点的dATP配对,研究人员接下来解析了M-fC在DNA聚合酶活性位点与dATP配对的晶体结构。将M-fC:dATP的结构与dT:dATP的结构比较,研究人员发现M-fC:dATP配对可诱导DNA聚合酶转变成有催化活性的“关闭“构象,并且模板上的M-fC可以和插入的dATP在DNA聚合酶活性位点以Watson-Crick构象配对。
因为M-fC和I-fC只特异性和dATP配对而不和dGTP配对,研究人员接下来研究了不和dGTP配对的判别机理。分子动力学模拟结果显示M-fC在DNA聚合酶活性位点与dGTP以wobble构象配对。研究人员也解析了M-fC与dG在DNA双链上配对的晶体结构,结果显示M-fC与dG在DNA双链上以wobble构象配对,支持分子动力学模拟计算结果。这些结果说明dGTP因为不能在活性位点与非天然胞嘧啶碱基形成Watson-Crick碱基配对,而被DNA聚合酶当做错误碱基。
引物延伸实验结果表明DNA聚合酶在非天然胞嘧啶碱基对面合成dATP的效率远小于正常dT碱基,这和脱碱基位点类似,暗示DNA聚合酶的“腺嘌呤偏好性(The A-rule)“可能参与了对非天然胞嘧啶碱基的识别。
研究结果表明非天然胞嘧啶碱基通过DNA聚合酶的空间构象识别机制实现C到T转变,说明Watson-Crick空间构象对于非天然碱基的识别非常重要,并且这种构象可能通过DNA聚合酶的“腺嘌呤偏好性“实现,这加深了DNA聚合酶对于非天然碱基识别的认识。
该论文作者为:Chengqi Yi, Hu Zeng, Manas Mondal, Ruyi Song, Jun Zhang, Bo Xia, Menghao Liu, Chenxu Zhu, Bo He, Yi Qin Gao
原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):
Unnatural cytosine bases recognized as thymines by DNA polymerases via the formation of the Watson-Crick geometry
Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201807845
导师介绍
伊成器
http://www.x-mol.com/university/faculty/50004
高毅勤
http://www.x-mol.com/university/faculty/8698
(本稿件来自Wiley)
如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOL ( x-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!