遺傳多樣性的奧妙－為什麼基因不會百分百遺傳？冷凍電顯看穿DNA不完美配對的結構

此論文共同第一作者為臺大生化所葉欣怡博士和中研院生化所羅世奇博士。
研究團隊包含中研院生物化學研究所蔡明道院士（右三）、何孟樵副研究員（右二）、臺灣大學生化科學所冀宏源教授（中）及化學系李弘文教授。

人類的遺傳多樣性來自父母同源染色體的配對與互換。當DNA配對不完美互換時就會發生基因變異。其中，主要催化父母染色體配對與互換的酵素是DMC1。雖然父母染色體的DNA序列很相似，卻不完全相同，但是DMC1可以協助不完美的DNA配對並達成完美的DNA互換。國立臺灣大學生化科學所冀宏源教授及化學系李弘文教授的研究團隊，以及中研院生物化學研究所蔡明道院士及何孟樵副研究員的研究團隊，透過冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術發現，DMC1蛋白具有獨特的結構可容許不完美的DNA序列配對，成功以分子結構闡述酵素如何調控DNA達到完美互換的關鍵機制。研究成果於本月14日發表在國際頂尖期刊《自然通訊》（Nature Communications）。
 
在生物學上，蛋白酵素如何精準地執行功能是生命延續的重要關鍵。然而，減數分裂時期DNA序列「不精準」的互換，反而是人類遺傳多樣性很重要的過程。為了探討DMC1酵素容忍DNA不完美配對的分子機制，研究團隊純化出高純度的DMC1酵素，並以冷凍電顯技術成功解出原子級解析度的DMC1-DNA複合體的結構。研究團隊看到DMC1蛋白和DNA彼此相互作用的分子細節。發現在DNA錯誤配對的位置，DMC1藉由在結構上提供較大的空間與支持，允許DNA不完美序列配對。
 
研究團隊進一步突變DMC1蛋白上的胺基酸，並且藉由冷凍電顯技術和分子模擬觀察到，突變確實能改變DNA結合空間的大小及穩定性。接續再利用生化及單分子實驗證實，蛋白質結構空間的改變與DNA錯誤配對的容忍性高度相關。此外，解析DMC1-DNA複合體結構的成果，對於因DMC1突變而造成的不孕，及染色體分配不均而導致的疾病，也提供分子層次上可能的解釋。
 
看穿蛋白質複合體的秘密武器：冷凍電子顯微鏡
 
冷凍電顯是現今結構生物研究最具發展潛力的技術，能在原子尺度，快速且不破壞性地觀察生物分子。過往若要研究蛋白質的原子結構，必須先將蛋白質結晶，再以X光繞射成像。然而，並非所有蛋白質狀態都可以被結晶。因此，透過冷凍電顯，可以用低溫固定蛋白質，省去結晶化的過程與限制，並用原子等級的電子顯微鏡，把蛋白質看得更清楚！
 
中研院看見冷凍電顯的潛力，於2018年購入全臺首兩座高解析度冷凍電子顯微鏡，並成立「中央研究院冷凍電子顯微鏡設施（ASCEM）」，不遺餘力地支持冷凍電顯技術的發展與維運，以協助國內研究團隊解析蛋白質結構與細胞內的超微結構（ultrastructure），進而解決重要生技議題及重大疾病問題。近二年來，冷凍電子顯微鏡設施中已解析了近二十個達到原子尺度的複合物結構，未來可望有更多生技與疾病研究上的突破性發現。
 
此論文共同第一作者為臺大生化所葉欣怡博士和中研院生化所羅世奇博士。研究團隊包含臺大生化所冀宏源、臺大化學系李弘文，以及中研院生化所蔡明道、何孟樵。經費來源包括臺灣大學、臺灣蛋白質計畫、科技部及中研院。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20258-1
延伸閱讀：〈「把生物分子看得更清楚！」結構生物學最新神器–冷凍電子顯微鏡〉，《研之有物》。
網址：https://research.sinica.edu.tw/tsai-ming-daw-cryo-electron-microscope/
研究成果聯絡人：冀宏源（臺灣大學生化所教授、中研院合聘研究員）