不完美DNA配对促成遗传多样性 冷冻电显发现机制

台大(简立欣摄)

为什么基因不会百分百遗传?这是因为父母同源染色体减数分裂时期DNA序列「不精准」的互换,发生基因变异,反而促成了人类遗传多样性。台大与中研院合作研究团队利用冷冻电子显微镜(cryo-EM)技术发现,DMC1蛋白具有独特结构可容许不完美的DNA序列配对,成功以分子结构阐述酵素如何调控DNA达到完美互换的关键机制研究成果14日发表在国际顶尖期刊《自然通讯》(Nature Communications)。

论文共同第一作者视台大生化博士叶欣怡和中研院生化所博士罗世奇。研究团队包含台大生化所教授宏源、台大化学系教授李弘文,以及中研院生化所院士蔡明道、副研究员何孟樵。

生物学上,虽然父母染色体的DNA序列很相似,却不完全相同,酵素DMC1却可以协助不完美的DNA配对并达成完美的DNA互换。为了探讨DMC1酵素容忍DNA不完美配对的分子机制,研究团队纯化出高纯度的DMC1酵素,并以冷冻电显技术成功解出原子解析度的DMC1-DNA复合体的结构,发现在DNA错误配对的位置,DMC1借由在结构上提供较大的空间与支持,允许DNA不完美序列配对。

研究团队进一步突变DMC1蛋白上的胺基酸,并且借由冷冻电显技术和分子模拟观察到,突变确实能改变DNA结合空间的大小及稳定性。接续再利用生化及单分子实验证实蛋白质结构空间的改变与DNA错误配对的容忍性高度相关。此外,解析DMC1-DNA复合体结构的成果,对于因DMC1突变而造成的不孕,及染色体分配不均而导致的疾病,也提供分子层次上可能的解释。

冷冻电显是现今结构生物研究最具发展潜力的技术,能在原子尺度,快速且不破坏性地观察生物分子。过往若要研究蛋白质的原子结构,必须先将蛋白质结晶,再以X光绕射成像。然而,并非所有蛋白质状态都可以被结晶。因此,透过冷冻电显,可以用低温固定蛋白质,省去结晶化的过程与限制,并用原子等级的电子显微镜,把蛋白质看得更清楚!

看见冷冻电显的潜力,中研院2018年购入全台首2座高解析度冷冻电子显微镜,并成立「中央研究院冷冻电子显微镜设施(ASCEM)」,协助国内研究团队解析蛋白质结构与细胞内的超微结构(ultrastructure),近2年来已解析了近20个达到原子尺度的复合物结构。