跨损伤合成聚合酶对G-四链体形成阻碍DNA复制的修复作用

Guanine-rich sequences may form a special nucleic acid secondary structure called G-quadruplex, which can present potent blocks to DNA replication. How the body releasing the effect of G-quadruplex formation on DNA replication is an important problem worthy of deep study. Presently DNA helicase was mainly used to unwind the G-quadruplex to relieve the stress on DNA replication. It is important to find other biological macromolecules to alleviate the effect of G-quadruplex formation on DNA replication. Our preliminary results showed that translesion synthesis polymerase in E coli can tolerate the DNA damage resulting from the formation of G-quadruplex. This polymerase could ensure the progression of the replication fork and prevent the double-strand break by incorporating nucleotides opposite DNA lesion site, which could maintain the genetic and epigenetic stability. In order to fully reveal the repair mechanism of translesion synthesispolymerase, this project is intended to further study the repair ability of different translesion synthesis polymerases in Escherichia coli for different G-quadruplex DNA sequences blocking replication under different conditions. Combining with active-site mutations, structural biology and computational modeling methods to reveal the molecular repair mechanism of translesion synthesis polymerase for G-quadruplex formation blocking DNA replication. These studies will further reveal the mediation function of G-quadruplex formation on DNA replication in vivo.

G-四链体是由富含鸟嘌呤序列形成的特殊核酸二级结构，它的形成会阻碍DNA复制。机体内如何解除G-四链体形成对DNA复制的影响是一个值得深入探讨的问题。目前主要是考虑解旋酶解旋G-四链体来缓解DNA复制的压力，但是解旋酶解旋G-四链体具有一定的局限性。发现其它生物大分子来缓解G-四链体形成对DNA复制的影响具有重要意义。我们的前期结果表明大肠杆菌中跨损伤合成聚合酶可以修复G-四链体形成对DNA复制产生的阻碍，这种酶以损伤的DNA为模板进行复制，避免因复制受阻引起DNA双链断裂，保持基因遗传和表观遗传的稳定性。为充分揭示跨损伤合成聚合酶的修复机制，本项目拟进一步研究大肠杆菌中的跨损伤合成聚合酶在不同条件下对G-四链体阻碍DNA复制的修复能力；同时采用结合位点突变、结构生物学和计算模拟方法揭示跨损伤合成聚合酶修复G-四链体形成阻碍DNA复制的分子作用机制，以期揭示体内G-四链体的调节功能。

G-四链体是由富含鸟嘌呤序列形成的特殊核酸二级结构，由四个鸟嘌呤以环状Hoogsteen氢键作用平面互联构成，广泛存在于原核生物和真核生物中，它的形成有助于调控某些重要基因的转录和DNA复制的启动.G-四链体的形成也会阻碍正常的DNA复制，导致基因遗传和表观遗传的不稳定.目前大多是利用解旋酶解旋G-四链体，缓解DNA复制的压力, ，但是这些解旋酶解旋G-四链体都具有一定的局限性.跨损伤合成聚合酶有望用来修复G-四链体形成对DNA复制的阻碍作用。跨损伤合成聚合酶是一种跨损伤复制聚合酶，能以损伤的DNA为模板进行复制.研究结果发现，DNA 聚合酶IV 和 II 参与调控c-KIT G-四链体在大肠杆菌的复制过程。DNA 聚合酶IV 参与调控c-MYC G-四链体在大肠杆菌中的复制过程。通过这些结果说明跨损伤DNA聚合酶可以修复G-四链体形成对DNA复制的损伤, 揭示了跨损伤合成聚合酶的修复机制和G-四链体形成对DNA复制的调节作用。此外，我们研究了小分子荧光探针和G-四连体的相互作用，荧光探针分子可以揭示G-四链体的结构和功能。我们发现了一个喹啉类的小分子，可以特异性识别多聚G-四链体结构，小分子是同时结合在两个G-平面上。这个结果有助于发现靶向端粒G-四链体的抗癌药物分子。