科大研究團隊利用高性能計算
發現RNA聚合酶維持基因轉錄過程高度準確的機制
21-03-2019
香港科技大學(科大)的研究團隊最近揭示了RNA聚合酶II如何進行剪切化學反應以校對RNA轉錄過程的機制,有助了解錯誤調節的轉錄過程可如何導致癌症和阿爾茲海默症等疾病。

生命的訊息由我們的DNA基因組進行編碼,並透過信使RNA的轉錄過程和蛋白質轉化執行不同的細胞功能。有如書寫英文字母般,「轉錄」是個把核苷酸像字母一樣按順序逐一連在一起合成信使RNA的過程,為確保過程準確無誤,一個負責合成信使RNA、名為RNA聚合酶II的酶會進行校對工作,移除所有與DNA模板不符、遭錯誤摻入的核苷酸。

雖然科學界一直知道這個酶是確保轉錄過程準確執行的重要幫手,但到底它如何執行這個艱難的任務,多年來仍是一個謎團。科學家矢志找出其背後的機制,因為這個在人體內十分精準的轉錄過程一旦發生錯誤,可導致多種疾病的出現。

由科大化學系化學及生物工程學系夏利萊夫人副教授黃旭輝領導的硏究團隊,近日終發現RNA聚合酶II在RNA合成中更正錯誤的機制。當核苷酸被錯誤摻入時,RNA聚合酶II便會向後移動(稱為後退功能),以清除錯置的核苷酸。今次研究發現,雖然RNA聚合酶II的氨基酸殘基在後退功能中扮演重要角色,但剪切錯置核苷酸的工作,其實只由RNA本身負責(即錯置核苷酸的磷酸氧)。

黃教授表示:「RNA聚合酶II就如細胞裏的分子機器。大自然巧妙地設計了這種機器,能在同一活性點位置上催化兩種化學反應,而不會互相混淆。一般RNA合成需要用上RNA聚合酶II的特定氨基酸殘基,但我們發現,移除錯置核苷酸卻不需任何氨基酸殘基,這個分子機器利用在單一活性中心,無縫地協調實現兩種化學反應。該項發現為轉錄過程如何在老化細胞和患病細胞中出錯,以及轉錄過程要出錯至什麼程度才會於人類間導致不同疾病,帶來了重要啟示。」

黃教授補充:「我們與阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)合作,有賴該校的大規模高性能計算系統Shaheen超級電腦,是項工作才得以實現。今次研究所涉及有關量子力學和分子動力學的運算,消耗了共二千萬個 CPU小時」。

是次研究成果已於頂級科學期刊《自然·催化》中發表(https://www.nature.com/articles/s41929-019-0227-5[1]

黃教授的研究範疇主要利用高性能計算了解複雜的生物及化學程序。是項研究的計算工作由團隊成員之一謝家敏博士完成,她於科大化學系完成本科和博士課程。其他通訊作者包括科大化學系研究助理教授張栢恒博士、紐約大學的張穎凱教授,以及運用生物實驗驗證計算結果、來自加州大學聖地牙哥分校的王棟教授及其團隊。

有關香港科技大學
香港科技大學(www.ust.hk)是國際知名的研究型大學,其科學、工程、商業管理及人文社會科學領域,均臻達世界一流水平。科大校園國際化,提供全人教育及跨學科研究,培育具國際視野、創業精神及創新思維的優秀人才。科大的研究於香港的大學教育資助委員會「2014研究評審工作」獲得最多「世界領先」評級,亦於最新的《泰晤士高等教育全球年輕大學排名榜2018》中排行第一,而科大的畢業生在2018年度的全球大學就業能力調查排名第16位,位列大中華院校之首。

[1] 是篇學術文章乃黃教授早前在自然通訊(http://www.nature.com/ncomms/2016/160419/ncomms11244/abs/ncomms11244.html)上,闡釋RNA聚合酶II遭錯誤摻入時的退後機制之跟進研究

 

(右起) 黃旭輝教授及其研究團隊成員張栢恒博士、謝家敏博士及常富傑博士利用科大電腦系統進行部分高性能計算。

(右起) 黃旭輝教授及其研究團隊成員張栢恒博士、謝家敏博士及常富傑博士利用科大電腦系統進行部分高性能計算。

在校對RNA轉錄中,RNA聚合酶II經歷剪切錯置核苷酸(圖中黃色部分)的過程。

在校對RNA轉錄中,RNA聚合酶II經歷剪切錯置核苷酸(圖中黃色部分)的過程。

 

傳媒查詢:
林淑媛
電話﹕2358 6313
電郵﹕anitalam@ust.hk
黃津琪
電話﹕3469 2512
電郵﹕jamiewong@ust.hk