ATR激酶激活分子机制的结构基础

The ataxia telangiectasia-mutated and Rad3-related (ATR) kinase is a master regulator of DNA damage response and replication stress, which ensure that it has been a prime candidate for inhibition in cancer treatment. Previously, We have determined the first cryo-EM structure of ATM kinase (8.7 Å, Nat Commun, 2016) and the first structure of ATR/ATRIP assembly (3.9 Å, Science, 2017). Not only have we delineated the detailed interfaces architecture of ATM and ATR-ATRIP homodimers, but also elucidated their mechanism of tight regulation. We are going to determine the high-resolution structure of ATR-ATRIP complex in the activated state and characterize its functional interaction with RPA-ssDNA、9-1-1 and TopBP1, which shall not only provide a structural framework for understanding the mechanisms of ATR recruitment and activation but also may facilitate the development of novel ATR kinase inhibitors for cancer therapy.

ATR激酶负责启动细胞内DNA损伤应答，同时对于DNA复制叉的稳定起到关键作用，在基因组稳定性中扮演关键角色，其激酶抑制剂已成为研究放射增敏和肿瘤治疗的新靶点。前期工作中我们解析了ATM激酶8.7埃分辨率(Nat Commun,2016)、ATR/ATRIP复合物的3.9埃分辨率的冷冻电镜结构(Science,2017)，揭示ATM/ATR激酶活性严谨调控的分子机制。我们计划解析激活状态ATR-ATRIP复合物的高分辨率结构，细致研究ATR-ATRIP与RPA-ssDNA、9-1-1以及TopBP1之间的功能性相互作用；阐明ATR激酶招募和激活的具体分子机制，为现有ATR激酶抑制剂的改造、研发高特异性的新型抑制剂提供结构指导信息。

DNA损伤修复途径关键激酶- ATR负责启动细胞内DNA损伤应答，同时对于DNA复制叉的稳定起到关键作用，在基因组稳定性中扮演关键角色，但目前对其响应DNA损伤而活化的分子机制的认识很肤浅。本项目中着眼于解析激活状态ATR-ATRIP复合物的高分辨率结构，及其与招募和活化ATR激酶的DNA损伤检查点蛋白之间的功能性相互作用，阐明ATR激酶活性调控的分子机制，为现有ATR激酶抑制剂的改造、研发高特异性的新型抑制剂提供结构指导信息。 ..通过诱导培养细胞的DNA双链断裂和DNA复制压力，我们解析不同DNA损伤体内诱导活化的ATR-ATRIP复合物的冷冻电镜结构，揭示了ATR激酶采取对称活化和不对称活化-两种不同的激活模式；发现ATR庞大的N端-螺线管调控活性中心构象的门控新机制。尽管我们已经成功制备了多个高质量的DNA损伤检查点复合体（9-1-1 clamp、Rad24-RFC clamp loader、TopBP1/Dpb11等），但是限于检查点复合物组装的高度动态以及依赖多种翻译后修饰的特定组合，导致组装招募和活化ATR的激酶的检查点大复合物的进展缓慢；为此，我们建立和发展了基于纳米抗体稳定高度动态的ATR-ATRIP和RPA复合物的方法，有望在近期突破庞大检查点复合物的组装。..项目执行过程中，我们意外地发现了ATR通过稳定结合脂肪酸合成酶，调控长链脂肪酸合成的新功能；发现复制中的RNA病毒（正链PRRSV和负链EBOV）会特异性的活化宿主的ATR激酶，依靠其激酶活性进行复制。发现了ATR独立于DNA损伤应答、通过直接的相互作用调控长链脂肪酸合成以及促进单链RNA病毒复制的新功能，拓展了对ATR激酶活性所调控的生物学过程的认知。..这些工作对不仅有助于DNA损伤应答关键激酶活性严谨调控的分子机制的深入认识，并有可能为新型肿瘤治疗药物的开发、改造奠定理论基础。