Werner和RHAU解旋酶解四螺旋核酸的分子作用机理与结构基础的研究

At the beginning of 2013, the researchers at Cambridge where the scientists discovered the DNA double helix structure sixty years ago，confirmed that the G-quadruplex structure in the human genome does form in cells, indicating that the G-quadruplex may have important biological functions previously unimaginable. In cell, unwinding of G-quadruplex is highly regulated by a special family of helicases, its functionality directly affect gene expression, telomere metabolism and maintenance of genomic stability. We intend to study two representative DNA and RNA G-quadruplex helicases: the Werner and RHAU proteins. By integrating and developing the traditional ensemble methods, single-molecule fluorescence manipulation and structural biology, as well as other multidisciplinary technical means, we will depthly study physical and chemical properties of helicases that mediated the unwinding of G-quadruplex, and further explore the molecular mechanisms underlying the recognition and unwinding of G-quadruplex, understand how the G-quadruplex helicases act coordinately with other biological macromolecules to perform the complex biological functions in telomere metabolism and regulation of genome stability. By revealing their three dimensional structure, we elucidate the structural basis of the mechanism of action of G-quadruplex helicases. Achieving the proposal goals, will be important to understand the molecular mechanism of G-quadruplex helicase, promote the development of the basic biology and provide important new strategy to delay human aging and cancer therapy.

2013年伊始，六十年前发现DNA双螺旋结构的剑桥科学家又证实人类基因组中G-四链螺旋结构确实会在细胞中形成，可能拥有人们先前无法想象的重要生物学功能。细胞中四链螺旋结构受到一种高度特异专一的四链螺旋解旋酶的调控，其功能直接影响基因表达，端粒代谢和维护基因组稳定性。我们拟以两种具有代表性的DNA和RNA四链螺旋解旋酶Werner和RHAU蛋白为研究对象，整合发展传统的系综方法和单分子荧光操纵以及X光衍射结构生物学多学科交叉技术手段，深入研究四链螺旋解旋酶特有的物化性质，探索四链螺旋解旋酶如何识别和解开四链螺旋的分子机理以及如何同其他生物大分子有机协调共同作用，完成端粒代谢、调控染色体组稳定性等复杂的生物学功能。通过阐明四链螺旋解旋酶的三维结构揭示其作用机理的结构生物学基础。本计划的实施，对于理解四链螺旋解旋酶的分子作用机理，推动基础生物学的发展，提供延缓人类衰老和肿瘤治疗新策略有重要意义。

细胞中四链螺旋结构受到一种高度特异专一的四链螺旋解旋酶的调控，其功能直接影响基因表达，端粒代谢和维护基因组稳定性。本项目以两种具有代表性的DNA和RNA四链螺旋解旋酶为研究对象，整合截流荧光和荧光偶联、单分子生物物理技术以及蛋白晶体X-光衍射等研究手段，深入研究四链螺旋解旋酶特有的物化性质，探索四链螺旋解旋酶如何识别和解开四链螺旋的分子机理以及如何同其他生物大分子有机协调共同作用，完成端粒代谢、调控染色体组稳定性等复杂的生物学功能。. 用单分子方法研究发现G4 DNA结构的折叠和去折叠动力学，证实了G4 DNA 折叠中间态G-triplex和G-hairpin的存在，最终提出人类端粒DNA结构的多路径折叠机制。应用系综方法和单分子方法均发现G4DNA全新的功能-激活ScPif1解旋酶的解旋活性，并阐明其激活机理，发现ScPif1解旋G4 DNA与duplex DNA机理不同。通过对结构的详细分析，从原子尺度上阐释了Pif1家族解旋酶的解旋模式，并深入发掘出了经典物种酿酒酵母ScPif1中参与解旋调控的全新结构域，并通过相关的生化活性实验进一步阐明了该结构域对双链DNA以及G4四联体DNA解旋的调控机理。研究发现，RHAU（DHX36）解旋酶的整体构造方式与MLE（DHX9）比较相似，既可以作用于DNA也可以作用于RNA，RHAU对于富含G碱基的单链DNA具有特殊的偏好性，其解旋G4结构的机制为“主动-被动”解旋机制，即RHAU结合G4后可以使G4结构变得不稳定，之后通过消耗ATP的主动解旋过程使得G4结构彻底打开。. 本项目研究成果重点揭示四链螺旋解旋酶特有的分子作用机理及结构基础，为调控染色体组的稳定性，探索癌症治疗的新方法提供全新的策略和发展方向。可推动基础生物学的发展，对延缓人类衰老和肿瘤治疗新策略有重要意义。