原核和真核RNA沉默的關(guān)鍵差異Argonaute酶揭幕
Argonaute(Ago)酶復(fù)合物在DNA和RNA靶標(biāo)切割中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在原核和真核細(xì)胞中稱為RNA沉默，使其成為未來(lái)基因編輯技術(shù)的目標(biāo)。本研究揭示了原核生物Ago(pAgo)和真核生物Ago(eAgo)酶在切割反應(yīng)中的關(guān)鍵差異，可能為其進(jìn)化過(guò)去提供重要線索。
酶具有明確定義的活性位點(diǎn)以允許底物分子錯(cuò)綜復(fù)雜地配合。這通常與催化反應(yīng)發(fā)生之前的酶促構(gòu)象變化相結(jié)合。對(duì)于Ago，催化步驟需要插入“谷氨酸指”以形成催化插入構(gòu)象，其可以通過(guò)由兩個(gè)對(duì)稱的帶正電荷的殘基提供的氫鍵網(wǎng)絡(luò)來(lái)穩(wěn)定。
對(duì)于真核生物中的Ago，這兩個(gè)對(duì)稱的帶正電荷的殘基發(fā)揮相同的作用，這對(duì)于解理是至關(guān)重要的。因此，研究人員推測(cè)，原核生物Ago中的兩個(gè)類似位點(diǎn)在解理功能中起著相同的關(guān)鍵作用。令人驚訝的是，該研究(圖1)顯示在pAgo中，兩個(gè)殘基中只有一個(gè)(精氨酸545)參與切割功能。當(dāng)另一個(gè)(精氨酸486)被其他氨基酸取代，該酶仍然能夠維持其切割活性。基于這些結(jié)果，該研究進(jìn)一步表明R486可能發(fā)揮其他作用，例如協(xié)助插入谷氨酸指。eAgos和pAgos之間這些對(duì)稱駐留的作用的這種顯著差異的發(fā)現(xiàn)提供了關(guān)于在從原核生物到真核生物的進(jìn)化過(guò)程中卵裂功能如何進(jìn)化的新穎見(jiàn)解。
為了實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果，應(yīng)用結(jié)合量子力學(xué)，分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)(QM / MM)的計(jì)算方法來(lái)闡明切割反應(yīng)機(jī)制并鑒定氨基酸殘基的功能作用。這項(xiàng)研究是通過(guò)大規(guī)模，高性能的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)的，這些資源在KAUST的Shaheen II超級(jí)計(jì)算機(jī)上與Xin Gao教授的團(tuán)隊(duì)合作計(jì)算了相當(dāng)于10,000個(gè)CPU核心的25周。
“由于當(dāng)前的計(jì)算能力和QM / MM建模所允許的精度，這項(xiàng)研究成為可能，”黃旭輝教授說(shuō)。“比較哪些氨基酸殘基在pAgo和eAgo中的靶DNA / RNA切割步驟中發(fā)揮關(guān)鍵作用，揭示了Ago蛋白如何從原核生物進(jìn)化到真核生物以切割DNA / RNA。這些信息可能有助于最終修飾Ago蛋白作為未來(lái)增強(qiáng)的基因編輯工具，“黃教授解釋道。
該方法及其研究結(jié)果的詳細(xì)信息發(fā)表于2018年12月27日的“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊 ” (PNAS)期刊。
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