生物通报道：来自北京生命科学研究所，首都师范大学等处的研究人员发表了题为“Structural mechanism of the phosphorylation-dependent dimerization of the MDC1 forkhead-associated domain”的文章，报道了他们在DNA损伤修复机制方面的新发现，这将有助于阐明哺乳动物修复DNA双链断裂关键因子MDC1的作用。相关成果公布在《Nucleic Acids Research》杂志上。

这项研究由北京生命科学研究所叶克穷实验室，与首都师范大学许兴智实验室合作完成，首都师范大学的刘金平和北京生命科学研究所研究生罗树坤为本文的共同第一作者。

编码基因的DNA分子时刻会受各种因子(如紫外线、自由基)的破坏发生损伤，而细胞能监视和修复各种DNA损伤。DNA双链断裂是最严重的损伤，在断裂发生后，ATM蛋白激酶得到激活，磷酸化一系列底物，包括断裂位点附近的组蛋白H2AX。MDC1是哺乳动物修复DNA双链断裂的重要因子，它通过其羰端BRCT结构域识别磷酸化的H2AX，从而定位在断裂位点，它同时招募多个修复因子参与修复过程。MDC1氮端含有一个能结合磷酸化苏氨酸的FHA结构域，但其功能仍不清楚。

在这篇文章中，研究人员通过蛋白晶体学、生物化学和细胞生物学等多种手段发现，在DNA损伤发生后，FHA结构域介导依赖于MDC1磷酸化的二聚化。作者发现MDC1 FHA结构域自身能形成不太稳定的二聚体。在DNA损伤后，ATM激酶磷酸化MDC1第4位的苏氨酸，然后FHA结构域反式结合另一个MDC1分子上磷酸化的第4位苏氨酸，从而形成稳定的二聚体。

研究人员还通过细胞学实验发现，MDC1二聚化能促进其定位于DNA损伤位点。因此这一成果揭示了MDC1 功能受其自身二聚化调节的新的分子机制。

叶克穷研究组主要从事蛋白质和核糖核酸之间的相互作用的研究工作，他们曾发表多篇文章，比如2011年在Nature上发表文章，解析了C/D RNA蛋白质复合物催化RNA核糖甲基化的结构机理。

这一论文报道了一个加载了底物的完整C/D RNA蛋白质复合物的3.15埃晶体结构。其中晶体X光衍射数据在上海光源生物大分子晶体学线站BL17U搜集。该结构首次显示了这个复杂分子机器的整体组装方式，为“单体”模型提供了直接的证据。这个结构还清楚的显示了底物RNA的结合方式和催化亚基选择特定修饰位点的方式。作者还发现，为了形成催化所需的活性状态，底物的加载诱发了复合物内部结构发生广泛的变化。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Structural mechanism of the phosphorylation-dependent dimerization of the MDC1 forkhead-associated domain

MDC1 is a key mediator of the DNA-damage response in mammals with several phosphorylation-dependent protein interaction domains. The function of its N-terminal forkhead-associated (FHA) domain remains elusive. Here, we show with structural, biochemical and cellular data that the FHA domain mediates phosphorylation-dependent dimerization of MDC1 in response to DNA damage. Crystal structures of the FHA domain reveal a face-to-face dimer with pseudo-dyad symmetry. We found that the FHA domain recognizes phosphothreonine 4 (pT4) at the N-terminus of MDC1 and determined its crystal structure in complex with a pT4 peptide. Biochemical analysis further revealed that in the dimer, the FHA domain binds in trans to pT4 from the other subunit, which greatly stabilizes the otherwise unstable dimer. We show that T4 is phosphorylated primarily by ATM upon DNA damage. MDC1 mutants with the FHA domain deleted or impaired in its ability to dimerize formed fewer foci at DNA-damage sites, but the localization defect was largely rescued by an artificial dimerization module, suggesting that dimerization is the primary function of the MDC1 FHA domain. Our results suggest a novel mechanism for the regulation of MDC1 function through T4 phosphorylation and FHA-mediated dimerization.

作者简介：

叶克穷 博士

教育经历

1995 浙江大学生物学学士

2000 中科院生物物理所博士

工作经历

2005-present 北京生命科学研究所研究员

2001-2005 Memorial Sloan-Kettering Cancer Center博士后（ Dr. Dinshaw J. Patel）

研究概述

该实验室主要研究蛋白质和核糖核酸之间的相互作用。核糖核酸除了在基因表达中作为信使，还有很多其他的功能。在各种生物体中已经发现了很多非编码的核糖核酸，它们不翻译成蛋白质，却在结构、催化、基因调节中起重要作用。这些非编码核糖核酸通常和蛋白质结合后行使其功能。该实验室一个主要的研究领域是所谓的核酸干扰。这是由长度约为21个核甘酸的微小核糖核酸介导的基因调控过程。该实验室将研究这些微小核酸是如何生成、如何工作、又是如何受到调控的。其他的课题还包括一些由核糖核酸介导的核糖核酸修饰系统。该实验室主要使用X光晶体学，核磁共振等结构方法以及生化分析作为研究手段。