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浙江大學(xué)與美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的研究人員繼2010年解析人類DNA聚合酶η 的分子結(jié)構(gòu)之后，于近期分別在DNA聚合酶的催化反應(yīng)機(jī)制以及對(duì)順鉑藥物的拮抗作用研究方面獲得了突破性的進(jìn)展——揭示了新的催化反應(yīng)特點(diǎn)，以及*的抑制劑結(jié)合位點(diǎn)。相關(guān)成果分別公布在期刊Nature與PNAS雜志上。

浙江大學(xué)的生物物理學(xué)博士研究生趙燁為主要完成人之一，指導(dǎo)老師為浙江大學(xué)華躍進(jìn)教授和美國NIH的楊薇研究員。至此，趙燁在其攻讀博士論文期間以*或共同*作者在Nature發(fā)表論文二篇、PNAS一篇。

DNA經(jīng)常受到內(nèi)源和外界環(huán)境因子的攻擊，從而造成DNA的損傷。其中大部分可以被無誤的DNA修復(fù)機(jī)制所識(shí)并修復(fù)，但也有一些會(huì)因?yàn)樵趶?fù)制過程中沒有被修復(fù)而在染色體上繼續(xù)存在，造成復(fù)制叉的停頓，從而影響細(xì)胞的分裂，更加嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。

為了應(yīng)對(duì)這些損傷，細(xì)胞進(jìn)化產(chǎn)生了一種損傷耐受機(jī)制，DNA聚合酶η 就是其中一種重要的損傷合成酶。分子結(jié)構(gòu)顯示人類DNA聚合酶η具有一個(gè)能夠容納損傷嘧啶二聚體的活性中心以及分子夾板的功能。而另外一方面，強(qiáng)大的跨損傷合成活性也使其對(duì)于癌癥治療藥物順鉑具有一定的拮抗作用。

盡管很久以前人們就對(duì)DNA聚合酶如何進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有所了解，但由于研究手段的局限性，具體的反應(yīng)過程仍然是一個(gè)相對(duì)未知的領(lǐng)域。在第二篇題為“Watching DNA polymerase η make a phosphodiester bond”的文章中，研究人員巧妙的利用晶體內(nèi)聚合酶反應(yīng)速率減弱的特性，在晶體內(nèi)觀測到了完整的DNA聚合酶化學(xué)反應(yīng)過程。

研究清晰的描述了反應(yīng)順序首先為引物鏈的3’末端羥基去質(zhì)子化，緊接著末端的脫氧核糖構(gòu)象由C2’-endo變?yōu)镃3’-endo并zui終完成對(duì)于dATP的親核攻擊，形成新的磷酸二酯鍵。同時(shí)在反應(yīng)過程中*次觀察到了第三個(gè)鎂離子的出現(xiàn)，其作用很有可能是中和化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的大量負(fù)電荷，穩(wěn)定反應(yīng)的中間體。這些發(fā)現(xiàn)大大提高了人們對(duì)于雙向金屬離子介導(dǎo)的核苷酸轉(zhuǎn)移機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

在*篇題為“Structural basis of human DNA polymerase η-mediated chemoresistance to cisplatin”的文章中，研究人員首先通過體外延伸及穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)人類DNA聚合酶η只能夠在順鉑交聯(lián)的損傷DNA處進(jìn)行正確的插入而無法有效的進(jìn)行延伸，這意味著很有可能需要其他的DNA聚合酶接手去完成整個(gè)跨損傷合成過程。同時(shí)通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)的進(jìn)一步分析也對(duì)各個(gè)步驟的合成效率進(jìn)行了系統(tǒng)的解釋。

有趣的是在結(jié)構(gòu)解析的過程中，研究者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)于人類DNA聚合酶η來說可能的特異性抑制劑結(jié)合位點(diǎn)。該位點(diǎn)通過與W297殘基以類似于堿基堆積的方式相互作用，并且得到了體外實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證--高濃度的dATP對(duì)于 聚合酶的合成效率有很強(qiáng)的抑制效果。這一發(fā)現(xiàn)也為抗癌藥物的研發(fā)提供了新的思路。