硫磺矿硫化叶菌引发酶非催化亚基PriX的发现和研究

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引物合成是DNA复制过程中的关键步骤,由引发酶催化完成。古菌既编码细菌类型引发酶DnaG,也编码真核生物类型引发酶,即由催化亚基PriS和非催化亚基PriL构成的异二聚体PriSL。后者被认为负责DNA复制过程中的引物合成。极端嗜热古菌—硫磺矿硫化叶菌(Sulfolobus solfataricus)的真核类型引发酶(Sso PriSL)除了具有从头合成RNA引物的引发活性之外,还有着诸多不同于真核生物引发酶的特性:可以利用dNTP合成DNA引物,合成的产物较长(通常大于1kb),具有依赖于模板的引物延伸以及不依赖于模板的末端转移活性等。另外,体外PriSL的最适反应温度远低于硫化叶菌的最适生长温度(~75℃)。  本研究采用免疫共沉淀的方法,利用抗PriS或者抗PiiL抗体,从硫磺矿硫化叶菌细胞裂解液中鉴定出一个新的引发酶非催化亚基,命名为PriX。Blast分析显示,priX基因只存在于泉古菌中。遗传学实验表明,priX是生长必需基因。PriX可以与PriS和PiiL形成稳定的异三聚体(PriSLX)。PriX与PriS之间存在较弱的相互作用,这种相互作用在DNA模板存在时得到加强。PriX与PriL具有稳定的相互作用,这种相互作用发生在含有Fe-S簇的PriL的保守的C末端区域。与PriL一样,PriX可以结合DNA,而且结合能力相当,但是结合模式不同,在电泳迁移率改变实验(EMSA)中,PriX可以形成清晰的阻滞条带,而PriL-DNA复合物条带呈弥散状态。PriSX具有非常强的引物合成活性,倾向于利用rNTP作为底物,合成的产物较短。PriSLX的引发活性比PriSL高一个数量级,其利用rNTP和dNTP的能力都很强,兼具了PriSL和PriSX的活性特点。更重要的是,PriSLX可以在生理温度(75℃)下表现出很强的引物合成活性。动力学实验显示,PriSX和PriSLX对核苷酸的亲和力远高于PriSL。PiiL而非PriX,参与引物延伸过程。当rNTP和dNTP两种底物同时存在时,PriSL只利用dNTP进行引物延伸。基于PriSL、PriSX和PriSLX在引发和延伸活性方面所表现出的不同特点,我们提出了硫化叶菌引发酶的可能引发机制,在该机制中,催化亚基PriS的活性通过与两个非催化亚基(PriX和PriL)的有序相互作用得到调控。通过合作,解析了PriX的N端截短突变体PriX26-154的晶体结构(分辨率为1.95(A))。由于未获得突变体蛋白的N端26-54位氨基酸残基的电子密度分布,推测该区域为柔性区域。PriX55-154在结构上是由6个α螺旋组成的单一结构域,具有一个由广泛疏水相互作用稳定的致密核心。Dali分析表明,PriX55-154与真核生物引发酶非催化亚基的C末端(PriL-CTD)有一定相似性。基因组系统发育学分析也显示,PriX可能起源于PriL,是引发酶亚基的编码基因在进化过程中复制、融合、分裂的产物。
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