在自然界中，絕大多數(shù)生物都以DNA為遺傳物質(zhì)，其完整性對(duì)于生物體至關(guān)重要。DNA損傷被認(rèn)為是誘發(fā)細(xì)胞功能障礙、細(xì)胞衰老以及癌癥的主要原因。在DNA中，胞嘧啶（dC）的脫氨基作用可形成脫氧尿嘧啶（dU），引起G-to-A的堿基轉(zhuǎn)換突變（transition)。為應(yīng)對(duì)此類(lèi)DNA損傷，細(xì)胞形成了包括堿基切除修復(fù)路徑BER在內(nèi)的多種 DNA 修復(fù)機(jī)制，而尿嘧啶DNA糖苷酶UDG則負(fù)責(zé)切除dU, 并起始下游的修復(fù)過(guò)程。隨著UDG各家族成員的研究在近年內(nèi)被相繼報(bào)道，人們對(duì)該家族酶的催化性質(zhì)及機(jī)制也逐漸了解。但是，恥垢分枝桿菌來(lái)源的UDG（以MsmUdgX代表）被發(fā)現(xiàn)具有獨(dú)特生化性質(zhì)。例如，MsmUdgX 能與含dU的單鏈DNA 形成異常穩(wěn)定的復(fù)合物，在多種變性條件下不解離, 研究者也無(wú)法檢測(cè)到該酶切除尿嘧啶的活性。目前MsmUdgX生化性質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能機(jī)制尚不明確。
近日，我校生命科學(xué)學(xué)院謝偉教授課題組在國(guó)際知名期刊Nature Chemical Biology在線(xiàn)報(bào)道了關(guān)于MsmUdgX催化過(guò)程的機(jī)制研究，題為“Suicide inactivation of the uracil DNA glycosylase UdgX by covalent complex formation”。我校生命科學(xué)學(xué)院謝偉教授為該文章的通訊作者，2014級(jí)博士生涂潔為第一作者，生命科學(xué)學(xué)院為第一完成單位，合作方美國(guó)Clemson University 的曹維國(guó)課題組參與該課題并提供一定指導(dǎo)。
UdgX的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制模型
通過(guò)解析蛋白脫底物及其與配體、DNA等一系列晶體結(jié)構(gòu)（圖a-c），該研究揭示了MsmUdgX獨(dú)特的催化過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，MsmUdgX首先對(duì)含U底物的 DNA發(fā)生尿嘧啶切除作用，然后其第109位的組氨酸與單鏈DNA底物AP位點(diǎn)的糖環(huán)形成一個(gè)共價(jià)鍵，因此可以耐受變性劑的作用；同時(shí)也由于酶無(wú)法再生，從而失去其固有的尿嘧啶酶切活性。該研究共解析了五套 MsmUdgX 的晶體結(jié)構(gòu)，各自代表其催化途徑中不同階段酶所處的狀態(tài)，提出了如圖e所示的催化路徑模型，可能經(jīng)歷一個(gè)稱(chēng)為“oxacarbenium”的中間體。該機(jī)制不但合理解釋了MsmUdgX酶獨(dú)特的生化性質(zhì)，而且發(fā)現(xiàn)酶在反應(yīng)中通過(guò)一種“自殺”的方式抑制其自身活性，在已知的UDG酶中尚屬首例。此外，由于MsmUdgX只存在于細(xì)菌中，研究者的MsmUdgX-DNA共價(jià)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)可能為新型抗菌藥物的設(shè)計(jì)提供新思路，具有潛在的應(yīng)用前景。
