研究揭示了基因组复制过程中DNA连接的动力学

在基因组复制和修复过程中，未连接的DNA链必须密封在一起，一项由KAUST领导的新研究显示了所涉及的固定酶如何完成这项工作。

通过结合低温电子显微镜(cryo-EM)成像、结构建模和生化分析，研究人员展示了这种被称为人类连接酶1(Lig1)的酶如何快速扫描基因组以寻找DNA中的缺口。为了引导搜索，Lig1将自身与一种称为PCNA的环状蛋白质结合起来，该蛋白质环绕着遗传物质链并像滑动夹子一样沿着DNA移动。当发现缺口时，Lig1会改变其构象并包裹DNA以密封缺口。

Lig1和PCNA之间的相互作用反过来会驱逐另一种酶，一种称为FEN1的蛋白质。正如研究人员所证明的那样，这种FEN1的驱逐对于在Lig1可以固定它之前准备好带切口的DNA是必要的。“这是一个重要的过程，每当两条DNA双螺旋链中的一条链断裂时都会发生，”结构生物学家AlfredoDeBiasio说，他与他的KAUST同事SamirHamdan共同领导了这项研究。

“通过使用低温EM，”DeBiasio继续说道，“我们证明了PCNA可以作为一种工具带发挥作用，两种酶可以独立且同时附着在其上，从而能够有效地将带切口的DNA从FEN1转移到Lig1并密封缺口。”

PCNA工具带上酶促工具之间的这种分子传递支持各种细胞过程，包括DNA修复和重组。然而，为了剖析工具带的结构，研究人员只关注一个过程：DNA复制——特别是在部分基因组复制过程中产生的短DNA片段的合成和连接。

PCNA对缺口密封酶的募集依赖于Lig1不同部分之间的微妙舞蹈。首先，Lig1将其前端系在基因组中不连续位点附近的PCNA环上。然后Lig1旋转，环绕DNA并通过所谓的DNA结合域与PCNA接触，最终在切口DNA周围形成双环堆叠结构。

这种构象变化导致FEN1的位移，FEN1是一种酶，可以切除在基因组复制和修复的某些阶段产生的外来DNA瓣。将FEN1排除在外后，Lig1可以自由地围绕缺口处的DNA旋转，这是Lig1实现其DNA固定功能的重要步骤，正如酶的突变形式实验所显示的那样。