殊途同归线虫如何保护其染色体

密歇根大学的研究人员发现，生物学研究中常用的蠕虫使用一组与其他研究生物体不同的蛋白质来保护其DNA末端。

在哺乳动物中，庇护蛋白是一种蛋白质复合物，可以“保护”我们的染色体末端，使其免于散开或融合在一起。防止染色体融合是一项重要的工作：染色体携带着我们身体的DNA。如果染色体末端融合，或者与其他染色体融合，容纳这些染色体的细胞就会死亡。

但并非所有生物体都使用相同种类的蛋白质来形成庇护蛋白。密歇根大学分子、细胞和发育生物学教授JayakrishnanNandakumar表示，线虫一直是理解多种生物过程的强大模型。

然而，直到最近，科学家们还没有鉴定出保护染色体双链DNA末端(称为端粒)的蛋白质。2021年，Nandakumar的合作者HirokiShibuya和另一个小组独立发现了秀丽隐杆线虫中名为TEBP-1和TEBP-2的蛋白质，可以保护线虫的端粒末端。

尽管如此，研究人员还没有解开秀丽隐杆线虫庇护所的所有谜团。Nandakumar说，蛋白质可以有几个部分，每个部分执行不同的功能。这些部分称为“域”，以它们执行的功能命名。研究人员不确定哪个结构域允许TEBP-1或TEBP-2分子与其自身的另一个副本结合，然后哪个结构域将蛋白质与染色体DNA结合以帮助保护它。

现在，Nandakumar和他的团队已经确定了TEBP-1和TEBP-2蛋白内的特定结构域，使它们能够发挥其生物学功能。他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

“达到相同目的有不同的方法(双关语是有意的)。换句话说，由于我们对哺乳动物端粒的关注，我们倾向于偏向于认为‘我们的方法’是解决问题的正确方法或唯一方法。”细胞中的问题，”他说。“然而，线虫的例子告诉我们，有多种方法可以解决末端保护问题，其中一些方法可能与人类的做法有很大不同。但只要它们有效，它们就会在进化中被选择。”

南达库玛说，可以把染色体想象成鞋带。鞋带的末端涂有一层称为肩带的硬塑料壳，可以防止鞋带散开。人类和所有哺乳动物都有一组特定的蛋白质，它们是庇护蛋白(染色体的“肩带”)的主要成分。

Nandakumar说：“将这些蛋白质视为覆盖染色体末端的塑料肩带，以保护它们免遭降解并保持其完整性。”“在线虫中，TEBP-1和TEBP-2保护染色体末端。”

现在，这些蛋白质，无论是在哺乳动物还是在秀丽隐杆线虫中，都需要一种相互结合的方式，然后与染色体结合，以便它们能够有效地包裹染色体末端。他们使用所谓的二聚化结构域和DNA结合结构域部分(当两个相同的蛋白质分子结合在一起时，研究人员称它们“二聚化”)来实现这一点。在哺乳动物中，称为“TRFH”的结构域使这些蛋白质二聚化，并且称为“myb”结构域的不同结构域覆盖染色体末端。

研究人员尚未鉴定出线虫TEBP-1或TEBP-2二聚化和DNA结合结构域，因为他们正在线虫中寻找与人类蛋白质结构域具有相似氨基酸序列的蛋白质，也就是说，它们我们正在寻找这些蛋白质的同源物。但没有一个。

相反，线虫有其他东西的三个副本，这些东西看起来与哺乳动物蛋白质上的myb结构域相似。因此，研究小组将它们称为“包含myb的结构域”，即MCD1、2和3。TEBP-1和TEBP-2的单个蛋白包含三个片段：MCD1、MCD2和MCD3。

研究人员进一步发现，只有MCD3能够结合DNA。MCD1和MCD2看起来像DNA结合结构域，但实际上将TEBP-1和TEBP-2分子结合在一起。一个蛋白质中的MCD1与下一个蛋白质中的MCD1结合，MCD2与MCD2结合，从而使蛋白质连接起来围绕染色体末端。

为了将蛋白质复合物连接到端粒，MCD3与染色体DNA结合。整个蛋白质在染色体的整个长端重复。

Nandakumar表示，由于可以轻松地对秀丽隐杆线虫进行生物化学和遗传学研究，因此了解保护其端粒的蛋白质复合物将有助于研究人员将其用作研究端粒生物学的模型生物。

“保护DNA的端粒——每个真核生物都必须这样做，这意味着蠕虫必须以某种方式解决这个问题。人类必须解决这个问题。酵母也必须解决这个问题。这是一个普遍的问题，”Nandakumar说。

“一般来说，在进化过程中，你会在不同的物种中使用相同的策略。如果某件事有效，如果你有一个问题的解决方案，为什么不重用它呢?我认为最酷的是，你可以对问题有多种解决方案”。