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跨损伤DNA聚合酶正确跨越BPDE-dG机制研究获进展

2014.1.27

　　烟草、汽车尾气和燃煤排放所产生的苯并芘 (BP) 是一种常见的环境污染物,BP在体内经过代谢产生强致癌产物BPDE，BPDE与DNA上的鸟嘌呤结合形成的加合物(BPDE-dG)与肺癌发生密切相关。跨损伤 DNA 合成 (TLS)聚合酶可以直接在DNA 加合物对面掺入核苷酸，使由于DNA 损伤的存在而停滞的DNA复制得以延续。TLS 可分为无错旁路和易错旁路两种途径，无错旁路途径主要是在DNA加合物对侧掺入正确的核苷酸;而易错旁路途径在损伤的模板对侧掺入错误的核苷酸，从而引发基因组突变。

　　目前人体内共有大约15种DNA聚合酶，Polκ是迄今已知的唯一能正确跨越BPDE-dG加合物的聚合酶。Polκ可以在BPDE-dG 对面正确掺入dCTP，并进行有效的延伸，从而保护了细胞免受因BPDE-dG 损伤引发的基因组突变,而缺失Polκ则导致BP诱发的基因组突变率显著升高。关于Polκ正确跨越BPDE-dG加合物的分子机理一直不清楚。

　　中国科学院北京基因组研究所基因组变异与精准生物医学实验室研究员郭彩霞与美国国立卫生研究院(NIH)杨薇博士合作，利用Polκ在古菌中的同源物 Dpo4易错跨越BPDE-dG 加合物的特性，通过系统比较Polκ与Dpo4的结构差异，预测Polκ活性中心与小指之间gap的结构变化及其N端独特的N-Clasp结构可能调控 Polκ正确跨越BPDE-dG加合物。研究人员综合运用了生物化学、分子生物学、合成化学、分子模拟等多种技术手段，首次发现Polκ的gap结构决定了跨越BPDE-dG加合物的延伸能力和保真性，细胞回转实验也证实了Polκ-gap结构在调控跨越BPDE-dG加合物效应中的重要作用。同时，缺失 N末端51个氨基酸的Polκ表现出减弱的DNA合成能力，并完全丧失了在BPDE-dG损伤模板上的延伸能力，揭示了Polκ N-clasp结构在跨越 BPDE-dG损伤过程中的重要作用,阐明了Polκ正确跨越BPDE-dG催化反应的关键分子机制。相关研究于2014年1月在线发表于Proceedings of the National Academy of Sciences, USA (PNAS)。

　　随着环境污染的加重，癌症、神经变性病、心血管病等多种人类重大疾病的发病率显著上升。本研究成果对于进一步揭示常见环境污染物导致人类重大疾病发生的分子机制，发展相关疾病预防和治疗手段具有重要意义。

　　参与本研究的还有第一作者刘扬博士，中国科学院动物研究所生物膜与膜生物工程国家重点实验室研究员唐铁山等。该项工作得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委的支持。