2021年1月17日 星期日

Cell Discovery | 生命科学学院高宁组报道人源DNA复制起始复合物ORC的冷冻电镜结构

2020年11月24日,高宁研究组在Cell Discovery杂志发表题为“Structural insight into the assembly and conformational activation of human origin recognition complex”的研究论文,报道了人源DNA复制起始复合物ORC组装过程中两个关键复合物ORC2-5和ORC1-5的冷冻电镜结构,从结构上部分阐释了人源复制起点识别复合物ORC的分步组装和逐步激活的分子机制。

真核生物DNA复制包含有一个复杂的复制起始调控机制,以保证在一个细胞周期内基因组仅复制一次。复制起始的第一步是由ORC(由ORC1-6六个亚基组成)识别并标记DNA复制起始位点,然后招募复制解旋酶,组装成复制体。ORC的功能紊乱与一些人类疾病直接相关,ORC亚基的突变与罕见遗传发育疾病MGS(Meier-Gorlin syndrome)直接相关。MGS患者在胚胎期生长迟缓并伴随多种发育畸形,出生后发育也严重受阻并导致身材矮小、小耳症和膝盖骨缺失等症状。此外,一些致病性DNA病毒(如人类疱疹病毒)需要劫持人源DNA复制系统进行病毒基因组的复制,它们通过招募ORC到病毒DNA复制起点实现这一过程。

在酿酒酵母中,ORC结合到DNA以后,在细胞周期的不同阶段中,始终以六聚体形式稳定结合。2018年,高宁教授与合作者Bik KwoonTye教授和翟元樑博士以结构研究为基础,阐释了酿酒酵母ORC特异性识别DNA复制起点的分子机制(Nature, 2018)。人源ORC有着更为复杂的功能调控机制:ORC2-5四个亚基形成一个相对稳定的核心复合物,ORC复合物组装到DNA上依赖于ORC1,ORC1自身的蛋白水平以及ORC1与ORC2-5的结合或解离都受到细胞周期的调控。目前尚不清楚人源ORC复合物分步组装到DNA复制起点的机制。

为了探索人源ORC的组装过程和功能激活机制,高宁组解析了ORC2-5和ORC1-5两种复合物的电镜结构(图1)。ORC2-5结构中,ORC2-WHD结构域插入到ORC与DNA结合的中央孔道内,从而阻挡了DNA的进入,很好地解释了ORC2-5功能自抑制的分子机理。ORC1-5中只有ORC1-WHD稳定结合到了ORC2-5复合物上,ORC1-AAA+尚未完全稳定,存在多种构象状态。一个重要的发现是ORC1-5存在两种主要的结构状态:State I 与ORC2-5的结构大致相同,也处于一种自抑制的构象;在State II中,ORC2-WHD向中央孔道外旋转了120度,部分暴露了位于复合物中央的DNA结合通道,表明State II是一种部分解除抑制效应的构象。这些结果从结构层面上诠释了ORC1在ORC功能激活中的重要角色:ORC1结合到ORC2-5复合物上可以促进ORC2-WHD的构象变化,从抑制状态向激活状态转变,同时ORC1-AAA+结构域保持高度动态,以促进DNA进入ORC的中央通道。

 

图1 人源ORC2-5和ORC1-5的冷冻电镜结构

结合以往的研究结果,这篇工作进一步完善了人源ORC组装到复制起点的模型(图2):ORC1首先通过特有的BAH结构域结合到携带有特定修饰的核小体上,随后招募ORC2-5核心复合物,形成ORC1-5复合物。通过一系列的构象激活,例如ORC2-WHD结构域的旋转,染色质DNA进入到ORC1-5复合物的中央孔道。伴随着后续的CDC6及ORC6的结合,激活的ORC进一步招募复制解旋酶从而完成Pre-replication complex 的组装。

图2 人源ORC逐步组装到复制起点的模型

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41421-020-00232-3