Sapphire激光掃描成像在CMG解旋酶與前導鏈DNA聚合酶協(xié)同機制研究應用

真核生物中，Cdc45-MCM-GINS （CMG解旋酶）與DNA聚合酶（Polε）的緊密耦合，是驅動復制起始、維持分叉進程的前提。然而，二者在復制叉上的活動機制在很大程度上尚未可知。

近日，香港大學生物科學學院領銜在Nature Communication上發(fā)表了題為Synergism between CMG helicase and leading strand DNA polymerase at replication fork的研究文章。通過對酵母前導鏈復制體的一系列研究，前所未有地闡明了一種CMG解旋酶與Polε的協(xié)同工作機制，及其協(xié)調DNA解螺旋及合成的動態(tài)圖景。
 

1 酵母前導鏈復制體的整體結構
作者組裝了一個前導鏈復制體復合物，并用低溫電鏡技術進行研究。結果顯示，在此復制體結構中，CMG解旋酶作為核心，將Tof1-Csm3組裝到MCM環(huán)Mcm6/4/7側的NTD面，將Ctf4同源三聚體組裝到Cdc45和GINS的界面上，而Polε則與MCM環(huán)Mcm2/5/3側的GINS和CTD面結合(補充圖2a-e)。從MCM環(huán)的NTD層伸出的親本雙鏈DNA被Tof1-Csm3捕獲，并向Mcm6/4/7側彎曲(補充圖2a, c, d, f)。
 

補充圖2. 前導鏈復制體的總體結構（a-c）DNA復制叉上CMG-Polε-Ctf4-Tof1-Csm3復制體的冷凍電鏡密度圖（側視圖）。（d，e）復制體MCM環(huán)的頂部NTD（d）和底部CTD（e）視圖。（f） 與（c）相同，但去除Mcm3和Mcm7以突出MCM環(huán)內叉DNA的構象。

2 Polε與CMG MCM環(huán)的docking
在復制體結構中，Polε通過四個對接位點與CMG相互作用（圖1a-d)。在對接位點(DS) 1上，Polε全酶高柔韌性的Dpb2-NTD(殘基12-98)穩(wěn)定地錨定在GINS Psf1(殘基161-208)的b結構域上。

圖1. Polε與CMG解旋酶互作詳情圖。a–d復制體的冷凍電鏡密度圖（側視圖）。

然而， Polε可能不依賴于Dpb2-NTD而被整合到復制體中。作者構建了一個Dpb2-NTD 敲除的Polε突變體（稱為PolεΔ2N）。體外拉下實驗（Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)檢測）顯示，盡管親和力低于野生型，PolεΔ2N仍可與DNA-CMG復合體進行作用（Polε-WT， 圖2a，泳道 6-7）。可見MCM環(huán)介導了Polε與CMG解旋酶的直接結合，而不依賴于Dpb2-NTD。

有趣的是，在沒有DNA的情況下，PolεΔ2N與CMG復合體的結合受到嚴重抑制(圖2a，泳道11)；然而Polε-WT則表現(xiàn)出很強的CMG結合親和力(圖2a，泳道10)。此時，Dpb2-NTD與Psf1的相互作用，成為Polε與CMG耦合的必要條件。同時也表明，分叉DNA在調節(jié)Polε進入前導鏈復制體中具有關鍵作用。
 

圖2a. CMG解旋酶體外拉下實驗（Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)拍攝）

3 polε- MCM耦合是復制起始的必要條件
作者構建了一系列刪除MCM結合域的pol2突變體。結果顯示，在限制性條件下，同時敲除DS2和DS4（pol2ΔDS2+4）將導致pol2-iAID細胞（可條件性耗盡內源Pol2- aid融合蛋白）無法存活。

作者接著進行體外拉下實驗（Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)，圖2a，泳道4-5)。結果顯示， Pol2ΔDS2突變體中， PolεΔ2N與DNA-CMG復合體的親和力顯著降低(圖2a, 泳道 8)， Pol2ΔDS2+4中幾乎完全消失(圖2a，泳道9)。

在耗盡內源性pol2-aid蛋白后，進行Psf2-Flag免疫沉淀分析。在POL2-WT細胞中，與Psf2-Flag共沉淀的Mcm2和Cdc45僅出現(xiàn)在S期早期；在pol2ΔDS2突變體(圖2e, 泳道5-6)中，共沉淀水平降低；在pol2ΔDS2+4突變體(圖2e, 泳道7-8)中則被抑制。
 

圖2e. Psf2-Flag免疫沉淀實驗 （Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)拍攝）

可見，DS2和DS4對于穩(wěn)定Polε與MCM環(huán)的結合至關重要，穩(wěn)定的polε- MCM耦合是CMG形成驅動復制起始的必要條件。

此外，體外解旋酶實驗中（Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)檢測），無Polε存在時，CMG解旋酶可有效解螺旋分叉的雙鏈DNA (圖6b, d)，Polε存在時，只表現(xiàn)出輕微的CMG活性抑制(圖6c, d)，表明Polε結合對CMG活性幾乎沒有影響。

體外擴增實驗（Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)檢測）顯示，與polε-WT的高水平全長產(chǎn)物相比，PolεΔDS2的復制效率降低，PolεΔDS2+4沒有明顯的DNA合成(圖6g)。不加CMG的對照組中，只有極低水平的DNA合成產(chǎn)物。說明Polε與CMG解旋酶的耦合有助于在前導鏈的復制延申。
 

圖6. b-c. 有無Polε情況下，CMG解旋酶的非變形PAGE分析 d. 復制叉解螺旋效果 f. 純化的DNA復制相關因子，SDS-PAGE考染顯色分析 g. 復制產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠實驗（Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)拍攝）

綜上所述，本研究闡明了復制體的一種內在機制，通過協(xié)調CMG和Polε的活動，能夠解決復制叉易位過程中的各種障礙、DNA損傷及表觀遺傳標記。這種解旋酶與DNA聚合酶的周期性耦合機制，或是生物體用于高保真復制基因組的有效策略。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41506-0

Azure Biosystems
Azure Biosystems成立于2013年，總部位于美國加州灣區(qū)，是一家致力于生命科學領域先進生物成像系統(tǒng)研發(fā)、制造、推廣及服務一體的創(chuàng)新型公司。擁有分子成像領域近30年經(jīng)驗的卓越團隊，Azure公司革新推出的Azure系列新一代多功能分子成像系統(tǒng)和Sapphire激光掃描成像系統(tǒng)已成為技術領先的特色產(chǎn)品。目前，公司已形成分子凝膠成像、Western Blot、RT-PCR及配套試劑耗材等產(chǎn)品線。

公司成像設備全球裝機＞5000臺，用戶數(shù)量＞30000，包括美國最高科研機構NIH、梅約診所、哈佛大學、中國科學院、清華大學、諾華制藥等知名科研院所、醫(yī)院及生物醫(yī)藥企業(yè)等。截至目前，發(fā)表文章＞3000篇，發(fā)表刊物包括Cell、Science、Nature三大期刊及子刊、JBC、JMC等國際著名期刊雜志。