本院生物化學研究所特聘研究員蔡明道院士與研究副技師吳文晉博士所領導的DNA聚合酶團隊於五月二十九日在《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society)上發表一篇成果論文,報導人類DNA聚合酶μ能夠利用錳離子進行非典型的催化反應以調控其多項功能。此文章的第一作者張堯凱為臺大生化科學所博士班學生。

錳離子對人體而言是必要的微量元素,然而過量的錳離子則會導神經方面疾病;此外,許多研究亦指出DNA聚合酶在錳離子的催化下容易造成DNA突變,因此DNA聚合酶多以鎂離子為輔因子進行催化以確保DNA合成之正確性。人類DNA聚合酶μ (簡稱「Pol μ」) 負責催化多種DNA的修復與合成,且具有偏好錳離子進行催化反應的罕見特性。因其反應機制不明,Pol μ 偏好錳離子的性質一直是個未解之迷。研究團隊發現Pol μ 在與DNA結合前,不僅以具活性的構型預先結合金屬•去氧核苷酸 (M•dNTP),且於反應初期即顯現其偏好錳離子的特性。例如,將dNTP或8-oxo-dGTP配對至DNA的缺口上、在NHEJ中嵌入rNTP、將dNTP嵌入單股DNA。

 

圖說:人類DNA聚合酶Pol μ可在錳離子的幫助下,進行非典型 (non-canonical) 的催化反應:在結合DNA前,預先以具活性的構型結合錳•去氧核苷酸 (Mn•dNTP)。在一般鎂離子的情況下,Pol μ則遵循典型 (canonical) 的催化路徑。下圖:Pol μ:MndCTP二元複合物的活化區構型 (綠色) 與前催化三元複合物 (precatalytic ternary complex,灰色) 非常相似。

 

綜合所解出的Pol μ:MndNTP二元複合物、催化前的三元複合物、產物複合物共19個晶體結構,研究團隊發現Pol μ 可在錳離子的幫助下進行非典型的催化反應:在結合DNA前預先與dNTP結合。此特性可增加DNA的多樣化並有利於人體DNA修復及製造不同抗體;然而,過量的錳離子亦可能造成DNA突變。此研究發現並提供了Pol μ 進行非典型催化反應的結構機制基礎,並擴展DNA聚合酶反應機制的多樣性:在典型的DNA聚合酶反應途徑外加入了預先結合dNTP的非典型反應途徑。本篇論文為此研究團隊繼2014 年非洲豬瘟病毒 Pol X 之 JACS論文、2016年人類 Pol μ 之JACS 論文以及2017年 Nature Reviews Chemistry綜述論文後的另一重大成果報導。本研究由本院、科技部與臺灣蛋白質計畫支持。

此論文的標題為 “Human DNA Polymerase μ Can Use a Noncanonical Mechanism for Multiple Mn2+-mediated Functions”。
論文網站 : https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b01741
作者群: Chang YK, Huang YP, Liu XX, Ko TP, Bessho Y, Kawano Y, Maestre-Reyna M, Wu WJ*, Tsai MD*

 

(生化所)