想了解细胞产品及试剂相关内容,请点击这里进入OriCell网站
  • 从困境到方案,眼科基因治疗解决方案,助力眼科新药临床开发!

【Gene of the Week】五分钟了解Prkdc基因及其在NHEJ中的作用

Prkdc基因及其在NHEJ中的作用 | 赛业生物

 

想调整研究方向,获得学术研究突破口?想获得论文选题思路,提高发文命中率?你需要了解学科发展态势和未来走向!赛业生物专栏《Gene of the Week》每周会根据热点研究领域介绍一个基因,详细为您介绍基因基本信息、研究概况和应用背景等,助您保持学术研究敏锐度,提高科学研究效率,期待您的持续关注哦。今天我们要讲的主角是编码了NHEJ通路中关键蛋白DNA-PKcs的Prkdc基因。

 

基因基本信息

Prkdc基因敲除小鼠 | 赛业生物

备注:标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠

 

Prkdc编码的DNA-PKcs

DNA依赖性蛋白激酶(DNA-dependent protein kinase, DNA-PK)是一个由DNA激活的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,大量表达在几乎所有哺乳动物的细胞中。DNA-PK是DNA修复的关键蛋白激酶,参与了非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)。此外,DNA-PK也参与了基因的转录调控等过程[1]。DNA-PK由3个亚基组成:Ku80、Ku70和DNK-PKcs(图1)。其中,XRCC5基因编码了Ku80,XRCC6基因编码了Ku70,而Prkdc基因编码了DNK-PK的催化亚基(DNA-PKcs)。DNA-PKcs 能被分为三个大型结构单位:一个N端螺旋结构域(N-terminal arm),一个含有多种HEAT(Huntingtin, Elongation Factor 3, PP2A和TOR1)重复序列和大量保守的磷酸化簇的圆形摇篮结构域(circular cradle),以及一个含有高度保守的激酶结构域(kinase)的C端结构域(C-terminal head)。

图1. DNA-PK的结构 | 赛业生物

图1. DNA-PK的结构[2]

A)Ku80显示为黄色,Ku70显示为绿色,DNA-PKcs显示为彩色。Ku70和Ku80的核心(core)形成与DNA结合的Ku异二聚体,如图B所示。Ku80CTR和Ku70CTR代表了两个蛋白的C端区域(C-terminal regions,CTR)。与DNA-PKcs互相作用的C端区域显示为黑色。

B)上图:与DNA结合的Ku70/80的晶体结构(PDB code: 1JEY) 。下图:Ku80CTR球状结构域(globular domain)的核磁共振结构(PDB code: 1Q2Z) 。

C) DNA-PKcs的晶体结构(PDB code: 5LUQ),着色方案与图A对应。Head包括FAT (FRAP, ATM, TRRAP), FRB(FKBP12-rapamycin-binding), kinase和FATC (FAT C-terminal) 结构域。Ku80CTR的三个螺旋结构显示为黑色。

 

DNA-PKcs 参与了NHEJ

DNA的双链断裂(double-strand breaks,DSBs)是最严重的一种DNA损伤,可由多种内源性因素(例如V(D)J重排),或外源性因素引起(例如电离辐射)。如果不能被修复,DSBs可能会引起同源染色体断裂和细胞死亡[3]。DSBs主要通过两种方式进行修复:同源重组(homologous recombination,HR)和非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)。细胞周期是影响DSBs修复机制的主要因素:HR修复需要DNA复制时姐妹染色单体上的同源序列的存在,以此为模板指导修复的精确进行。因此,HR修复是精确的(error-free),主要发生在细胞周期(cell cycle)中的S期。而NHEJ修复不需要借助同源模板链的帮助,NHEJ机制中的修复蛋白直接将双链断裂的末端拉近距离,再由DNA连接酶(ligase)将断裂处连接。因此,NHEJ是快速但不精准的(error-prone),在整个细胞周期中都能起作用(主要是是G1和G2期)。

 

在NHEJ中,Ku70与Ku80能在断裂的DNA末端迅速组装成Ku异二聚体,招募并激活DNA-PKcs,而Artemis核酸酶被DNA-PKcs磷酸化后,能打开DNA发夹中间体,然后由XLF,Ligase IV和XRCC4d 复合物催化再连接(图2A)。特别地,NHEJ机制也存在于T、B 细胞的 T 细胞抗原受体(TCR)、B 细胞抗原受体(BCR)基因的V(D)J重排中。在这里,DSBs是由重组酶Rag1和Rag2识别并剪切V(D)J片段相邻的重组信号序列(recombination signal sequence,RSS)造成的。其中,Rag1和Rag2、Ku70和80、XRCC4和Ligase IV是信号序列连接(signal join)和编码序列连接(coding join)所必需的;而DNA-PKcs 和Artemis则是编码序列连接所必需的(图2B)。此外,缺乏不同V(D)J重组所需蛋白质的小鼠也展示出不同表型(表1)。

图2. NHEJ通路 | 赛业生物

图2. NHEJ通路[4]

(A) 辐照等造成的DNA双链断裂(DSBs)。括号表示不同细胞类型可能表现出不同程度的对Artemis和DNA-PKcs的依赖性。

(B) V(D)J重排造成的DNA双链断裂(DSBs)。PSC:剪切后突触复合体(postcleavage synaptic complex)。

 

表1. 缺乏V(D)J重组所需蛋白质的各种小鼠表型

表1. 缺乏V(D)J重组所需蛋白质的各种小鼠表型[4]

 

DNA-PKcs 与肿瘤

DNA-PKcs是NHEJ途径的关键组成部分,也是一种潜在的癌症治疗靶标。我们可以通过抑制DNA-PKcs活性,使肿瘤细胞对电离辐射(IR)和DSB诱导剂敏感,从而提高放疗和化疗效果。目前,已有多种小分子DNA-PKcs抑制剂。例如,Willoughby等人发现NU5455,小分子DNA-PKcs抑制剂,能有效增强对肺癌定向放疗和对肝细胞癌局部化疗的治疗指数(therapeutic index)[5]

图3. 小分子DNA-PKcs抑制剂NU5455 | 赛业生物

图3. 小分子DNA-PKcs抑制剂NU5455[5]

 

小结

Prkdc基因编码了DNA蛋白激酶的催化亚基(DNA-PKcs),DNA-PKcs作为NHEJ途径中的关键组成部分,在维持基因组完整性上起到了重要作用。带有PrkdcSCID突变的SCID小鼠由于DNA-PKcs缺陷,V(D)J重排受阻,因此缺乏功能性T、B细胞。但同时,随着年龄增长,SCID小鼠也可能产生免疫泄露(leakiness),即小鼠体内产生少量的有功能的T、B细胞和免疫球蛋白。目前,这种免疫泄露的分子机制仍不明确,且不同遗传背景的SCID小鼠中的免疫泄露发生率不同:一般来说,SCID小鼠在C57BL/6J 和BALB/c 背景上的泄漏率高;在C3H背景上较低;而在NOD背景上极低。

 

赛业生物免疫缺陷小鼠助力肿瘤研究

NOD scid

表型信息及应用:

独有的多种免疫缺陷为人类造血细胞的重建提供了一个极好的系统,是HIV-1研究和基因治疗的重要模型。

肿瘤研究的重要工具,可增加肿瘤的发生率,尤其是淋巴瘤和胸腺瘤。

移植致死性胸腺淋巴瘤的情况下寿命短。

 

NOD scid表型验证:CDX模型

人肺癌细胞(A549)在NOD scid小鼠上能更有效地建立肿瘤模型

人肺癌细胞(A549)在NOD scid小鼠上能更有效地建立肿瘤模型

分别将5×106 A549细胞以皮下注射的形式接种到BALB/c nude和NOD scid小鼠体内,并在不同的时间点测量成瘤体积和小鼠体重。数据以Mean±SEM形式呈现。

 

研究应用:

同种移植和异种移植,可用于评估肿瘤细胞增殖,侵袭和转移的潜力,以及抗癌疗法的功效。

肿瘤免疫学及炎症研究。

糖尿病和肥胖研究:I型糖尿病。

血液学研究(例如白血病)。

 

夏日来临,赛业生物NOD scid免疫缺陷小鼠爆款直降,每只仅需178元,实实在在省钱!赶快点击图片订购吧!

NOD scid免疫缺陷小鼠爆款直降,每只仅需178元

 

赛业生物药物筛选评价小鼠模型平台除了可以提供NOD scid,还可以提供BALB/c nude(裸鼠)、重度免疫缺陷鼠BRGSF和C-NKG,以及人免疫重建小鼠等,助力新药研发。

免疫缺陷鼠

 

同时在BALB/c nude(裸鼠)、NOD scid、重度免疫缺陷鼠BRGSF和C-NKG等免疫缺陷鼠基础上,赛业生物已建立多种有效的CDX模型,可为您提供乳腺癌、肝癌、肠癌、胰腺癌、肺癌、胃癌、肾癌、前列腺癌、黑色素瘤、膀胱癌、白血病、卵巢癌、脑癌等CDX模型,并针对相应的模型提供高度定制化的体内药效学服务。

 

参考文献:

[1] 江娜, 沈瑛, 孔宪明, & 糜军. (2011). DNA-PK蛋白功能及其调控机制. 医学分子生物学杂志, 08(003), 278-282.

[2] Wu Q, Liang S, Ochi T, et al. (2019). Understanding the structure and role of DNA-PK in NHEJ: How X-ray diffraction and cryo-EM contribute in complementary ways. Prog Biophys Mol Biol, 147:26-32.

[3] 胡荣杭, & 温剑虎. (2006). Dna依赖的蛋白激酶研究新进展. 重庆医科大学学报, 31(0z1), 23-26.

[4] Bassing C.H., Swat W., Alt F.W. (2002). The mechanism and regulation of chromosomal V(D)J recombination. Cell. 109 Suppl:S45-55.

[5] Willoughby, C.E., Jiang, Y., Thomas, H.D., et al. (2020). Selective DNA-PKcs inhibition extends the therapeutic index of localized radiotherapy and chemotherapy. The Journal of clinical investigation, 130(1), 258–271.

 

关于赛业

赛业生物历经15年发展,已服务全球数万名科学家,产品和技术已直接应用于包括CNS(Cell,Nature, Science)三大期刊在内的4800余篇学术论文。除了提供基因敲除基因敲入条件性基因敲除模型定制服务外,赛业生物还有专业的手术疾病模型团队,可以提供多种复杂精细的小动物手术疾病模型;药物筛选评价小鼠平台可以提供从欧美行业领袖引进的免疫缺陷鼠、用于心血管及阿尔茨海默症等研究的人源化小鼠;国际标准化无菌鼠技术平台可以提供无菌鼠、无菌动物定制服务、微生物菌群移植服务等基于无菌动物模型的各类产品和服务,结合赛业生物成熟稳定的基因编辑小鼠平台,还可帮助您研究菌群与基因的互作机制。

如果您对产品或服务有兴趣,可通过以下方式联系我们
在下方表单
填写需求描述给我们
点击页面右侧“在线咨询”
工具快速咨询
拨打免费电话:
400-680-8038
发送邮件至邮箱:
info@cyagen.com
click to refresh