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修复人类DNA损伤科学家从植物中发现新线索

包括人类在内的生物每天都会受到紫外线,自由基和其他化学物质的突变,从而破坏人体遗传物质。在DNA损伤修复过程中,必须形成十字形DNA接头(霍利迪接头),并且必须对其进行“分解”,以使染色体正确分离和复制。然而,目前,科学界尚未能够发现负责“拆卸”工作的解离酶背后的隐藏工作机制

最近,福州大学国家与地方生物药物光动力疗法联合工程研究中心的研究团队林忠辉教授在国际自然与化学生物学杂志上发表了一项研究,似乎找到了新的线索。该研究小组使用植物叶绿体中的霍利迪接头解离酶MOC1作为研究对象,并首次揭示了MOC1的催化机理。它为其他MOC1物种的底物特异性识别机制提供了重要启示。为探索人类DNA损伤修复机制提供重要线索。

解离酶识别DNA的方式尚不清楚

“ DNA是双螺旋生物大分子。构成此双螺旋的基本单元-碱基对,就像铁路上的轨枕一样,暴露于电磁辐射,自由基和各种化学物质。在诱变作用下,碱基进行交联,切割和结构变化,导致DNA损坏。”林忠辉补充说,此外,即使没有外界干扰,细胞本身在DNA复制过程中也有一定的可能性。错误。

林忠辉指出,如果DNA修复不及时修复,将导致生物体的遗传信息发生变化,即基因突变,从而导致个体的生理,性状发生变化甚至死亡。对于人体而言,基因突变可导致先天性畸形和癌症。例如,在目前发现的所有恶性肿瘤中,超过50%的癌细胞携带着抑癌基因p53的突变。

即便如此,为什么大多数生物仍能保持其基因组的稳定性?研究发现,原始尸体具有可以随时监控和修复DNA的安全系统。

Holliday连接器在其中起着非常重要的作用。它是由英国分子生物学家Robin Holliday于1964年首次发现的。这是DNA同源重组破坏修复的过程。由模板DNA的交叉点形成的十字形DNA连接子。

“ DNA损伤修复完成后,必须在MOC1的作用下将其解离,这将导致两个同源DNA双链体再次分离为线性DNA。”林忠辉解释说,因此,MOC1包括噬菌体,细菌,真菌,植物,甚至是动物等细胞正常生长和稳定遗传所必需的关键酶,在完整的DNA损伤修复过程中起着重要作用。

先前的研究表明,MOC1可以区分线性,三叉和交叉等不同形状的DNA,并且可以与Holliday连接器特异性结合。另外,MOC1对DNA序列的选择绝大多数是“需求的”。

“底物DNA序列的微小差异,甚至是一个碱基的差异,都会导致催化效率的巨大差异。”林忠辉说,然而,到目前为止,MOC1对底物的选择性的分子机制尚不清楚,这阻碍了我们对MOC1甚至整个DNA损伤修复过程的理解。

三维结构揭示了MOC1的独特功能

科技日报记者了解到,针对上述问题,林忠辉的研究小组以植物叶绿体中的MOC1为研究对象。首先,通过一系列的生化实验确定MOC1特异的DNA底物序列,然后利用X射线晶体学方法对MOC1进行分析。蛋白质的晶体结构及其与DNA底物的复合物。

“这些晶体结构表明,MOC1蛋白在三维结构上与噬菌体RuvC具有高度相似性,进一步表明叶绿体是一种源自光合细菌的内源性共生。”林忠辉说,这项研究还揭示了MOC1蛋白具有独特的“能力”,就像一对双手拥抱着MOC1的“腰部”一样,MOC1对DNA序列的特异性识别是通过保守的碱基识别基序实现的。

此外,研究还发现,MOC1的活性中心可以同时结合两个金属离子,这在催化上取决于双金属离子的催化机理。该大学的李金玉教授研究小组随后通过分子动力学模拟发现,MOC1对序列的识别和选择与金属离子的配位之间存在密切的关系。

记者了解到,这项研究结合了结构生物学,计算生物学和生物化学,不仅揭示了MOC1的催化机理,而且更重要的是,揭示了核酸酶如何转化DNA序列中的微小差异。针对其催化活性差异巨大的科学问题,提出了一种双金属离子辅助的DNA序列特异性选择机制。

“尽管这项研究的内容针对植物MOC1,但由于MOC1在包括我们人类在内的动物中的催化机制非常相似,因此研究结果也将为探索人类DNA损伤修复机制提供重要线索。希望最终为解决人类相关疾病提供一定的理论依据。”林忠辉说。

人类真的拥有与香蕉相同的50%的DNA吗?

根据国外媒体的报道,您可能已经听说人与香蕉之间的DNA相似性高达50%或60%。乍一看,人类和香蕉之间有许多差异。至少要说:一个是动物,一个是植物!实际上,这种相似性似乎是惊人的,但是它确实具有一些事实成分,但是实际情况要比这复杂得多。

尽管其他项目可能已经发布了类似的数据,但这些信息可能源自国家人类基因组研究所在2013年进行的一项研究项目。但是,该项目的研究结果尚未公布,但美国史密森尼自然历史博物馆指出,“人类和香蕉DNA之间存在41%的相似性”。

人与香蕉

首先,我们必须了解DNA和蛋白质产品之间的区别。我们可以将DNA视为房屋的蓝图,而蛋白质产品实际上是在建造的,因为蓝图中的所有内容都反映在房屋中。接下来,我们还可以将人类DNA想象成一个农场的蓝图,而香蕉DNA则是一个殖民地风格的房子的蓝图。这两所房子之间有很多相似之处(例如管道,厕所,厨房等),但最终产品却大不相同。这是人类与其他生物之间的区别。其次,请记住,基因(负责编码蛋白质的DNA区域)仅占DNA的2%。

科学家首先分析了典型香蕉基因组中的基因序列,然后预测了这些基因合成的所有蛋白质的氨基酸序列。然后,科学家对所有人类基因进行了相同的分析,并将与每个香蕉基因相对应的蛋白质序列依次与人类基因进行了比较。两者之间的相似性可能在0到100之间。只要两个基因之间的相似性高于预期,就会记录下来。

最终,该项目进行了超过400万次比较,发现了两个基因组之间的7,000个“有效配对”。接下来,研究人员计算了每个配对相似度的平均值,最终数字约为40%。但这仅仅是蛋白质之间的相似性,即基因产物,而不是基因本身的相似性。人类基因组中的许多基因在香蕉基因组中找不到相应的基因,反之亦然。

如果上面的内容有些难以理解,请看下面的简单解释:研究人员将所有香蕉基因与人类基因进行比较,然后计算两者之间的相似性(如果香蕉具有某个基因,但是如果人类没有't,该基因将不会被计算在内。发现60%的人类基因可以在香蕉基因组中找到匹配的基因。研究人员比较了60%基因的蛋白质氨基酸序列,发现大约40%是相同的。

人类和香蕉有许多类似的基因,乍一看,这确实令人震惊。但是实际上,这也是正常的。人类和香蕉的生存机制之间有许多相似之处,例如需要消耗氧气才能生存。这些相似的基因中有许多仅负责基本的生活功能。

世界上的一切都是“亲戚”

从上面可以看出,人们在流传的说法是“ DNA相似度为56%”,但该研究实际上是在研究“基因产物的相似度”。这两个陈述是不同的。如果科学家将香蕉的DNA序列与人类DNA进行比较,他们会发现两者根本不匹配。我们50%的DNA来自母亲,而50%来自父亲。我们有50%的基因与香蕉相同,但是如前所述,只有2%的DNA是遗传基因,因此与香蕉相同的基因仅占我们DNA的1%。

由于基因仅占DNA的2%,其余的98%呢?其中,有8%负责调节基因(确定基因是打开还是关闭)。其余90%的功能在进化过程中是未知的或逐渐消失的。这些功能未知的DNA片段曾经被称为“垃圾DNA”,因为科学家认为它们没有作用。但这是不合适的,因为近年来科学家已经意识到这些片段也可以起作用。

人类的DNA不仅与香蕉高度相似,而且与其他物种高度相似。例如,我们与小鼠基因组的相似度为85%,与果蝇的相似度为61%。最令人惊讶的是,尽管人类和其他物种在进化时间轴上相距甚远,但在我们的基因组中仍可以找到同一祖先的相同烙印。数十亿年前的基因组包含允许细胞存活和复制的基因,因此它们已经存活了几代,并保存在人类和植物基因组中。

不仅香蕉,而且我们的DNA与其他水果的相似性也可能达到1%。从某种意义上说,因为地球上所有生命都是从16亿年前的细胞进化而来的,所以所有生物都具有“相对关系”。 

作者:yupvip 分类:文库 浏览:20 评论:0