不完美DNA配對促成遺傳多樣性 冷凍電顯發現機制

台大(簡立欣攝)

為什麼基因不會百分百遺傳?這是因為父母同源染色體減數分裂時期DNA序列「不精準」的互換,發生基因變異,反而促成了人類遺傳多樣性。台大與中研院合作的研究團隊利用冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)技術發現,DMC1蛋白具有獨特結構可容許不完美的DNA序列配對,成功以分子結構闡述酵素如何調控DNA達到完美互換的關鍵機制。研究成果14日發表在國際頂尖期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

該論文共同第一作者視台大生化所博士葉欣怡和中研院生化所博士羅世奇。研究團隊包含台大生化所教授冀宏源、台大化學系教授李弘文,以及中研院生化所院士蔡明道、副研究員何孟樵。

在生物學上,雖然父母染色體的DNA序列很相似,卻不完全相同,酵素DMC1卻可以協助不完美的DNA配對並達成完美的DNA互換。為了探討DMC1酵素容忍DNA不完美配對的分子機制,研究團隊純化出高純度的DMC1酵素,並以冷凍電顯技術成功解出原子級解析度的DMC1-DNA複合體的結構,發現在DNA錯誤配對的位置,DMC1藉由在結構上提供較大的空間與支持,允許DNA不完美序列配對。

研究團隊進一步突變DMC1蛋白上的胺基酸,並且藉由冷凍電顯技術和分子模擬觀察到,突變確實能改變DNA結合空間的大小及穩定性。接續再利用生化及單分子實驗證實,蛋白質結構空間的改變與DNA錯誤配對的容忍性高度相關。此外,解析DMC1-DNA複合體結構的成果,對於因DMC1突變而造成的不孕,及染色體分配不均而導致的疾病,也提供分子層次上可能的解釋。

冷凍電顯是現今結構生物研究最具發展潛力的技術,能在原子尺度,快速且不破壞性地觀察生物分子。過往若要研究蛋白質的原子結構,必須先將蛋白質結晶,再以X光繞射成像。然而,並非所有蛋白質狀態都可以被結晶。因此,透過冷凍電顯,可以用低溫固定蛋白質,省去結晶化的過程與限制,並用原子等級的電子顯微鏡,把蛋白質看得更清楚!

看見冷凍電顯的潛力,中研院2018年購入全台首2座高解析度冷凍電子顯微鏡,並成立「中央研究院冷凍電子顯微鏡設施(ASCEM)」,協助國內研究團隊解析蛋白質結構與細胞內的超微結構(ultrastructure),近2年來已解析了近20個達到原子尺度的複合物結構。

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