《Nature》新发现揭示了DNA修复途径的关键过程

来源：作者：人气：-发表时间：2024-08-05 11:12:00【大中小】

摘要：我们最重要的DNA修复系统之一如何识别DNA损伤并启动修复的基本机制。

伦敦医学科学实验室(LMS)和剑桥分子生物学实验室(LMB)这两家由英国医学研究委员会(Medical Research Council)核心资助的研究机构的研究人员进行了一次优雅的合作，解决了一个长达数十年的谜团，这可能为未来更好的癌症治疗铺平道路。

这项工作揭示了我们最重要的DNA修复系统之一如何识别DNA损伤并启动修复的基本机制，多年来一直困扰着研究人员。利用尖端成像技术可视化这些DNA修复蛋白如何在单个DNA分子上移动，并用电子显微镜捕捉它们如何“锁定”特定的DNA结构，这项研究为更有效的癌症治疗开辟了道路。

图1 FANCD2-FANCI调查DNA并识别双链至单链连接

David Rueda教授(LMS)和Lori Passmore博士(LMB)实验室的研究人员正在合作研究一种DNA修复途径，即20多年前发现的范可尼贫血(Fanconi anemia, FA)途径。在我们的一生中，DNA不断受到环境因素的破坏，包括来自太阳的紫外线、饮酒、吸烟、污染和接触化学物质。DNA受损的一种方式是当它“交联”时，它无法正常复制和表达基因。为了自我复制并读取和表达基因，DNA双螺旋的两条链首先必须解压缩成单链。当DNA交联时，两条链的“核苷酸”(DNA双螺旋阶梯中的“台阶”)粘在一起，阻止了这种解链。

包括交联在内的DNA损伤的积累会导致癌症。FA通路在我们的一生中都很活跃，它能识别这些损伤，并不断修复它们。基因突变使这一途径不那么有效的个体更容易患癌症。虽然参与FA途径的蛋白质在一段时间前就被发现了，但它们是如何识别交联DNA并启动DNA修复过程的，仍然是个谜。

来自MRC LMS姊妹机构，剑桥LMB的团队，由Lori Passmore领导，之前已经确定了FANCD2-FANCI (D2-I)蛋白复合物，它在FA途径的第一步中起作用，夹在DNA上，从而在交联中启动DNA修复。然而，关键问题仍然存在:D2-I如何识别交联DNA，为什么D2-I复合体也与其他类型的DNA损伤有关?

今天发表在《Nature》杂志上的文章结合了尖端的科学技术，展示了D2-I复合物沿着双链DNA滑动，监测其完整性，并且还优雅地可视化了它如何识别停止的位置，允许蛋白质移动并在该点锁定在一起，从而启动DNA修复。

图2 D2-I钳在DNA上滑动的单分子成像

David Rueda的单分子成像小组的Artur Kaczmarczyk和Korak Ray与Lori Passmore小组的Pablo Alcón合作，使用了一种称为“相关光学镊子和荧光成像”的最先进的显微镜技术来探索D2-I复合物如何沿着双链DNA分子滑动。使用光学镊子，他们可以在两个珠子之间捕获单个DNA分子，这使他们能够精确地操纵DNA并将其与选定的蛋白质孵育。利用荧光标记的D2-I和单分子成像，他们观察了单个D2-I复合物如何与DNA结合并沿着DNA滑动，扫描双螺旋结构。他们发现，FA钳不是直接识别DNA两条链之间的交联，而是在到达单链DNA间隙时停止滑动，单链DNA间隙是一条DNA链缺失的区域。

利用冷冻电子显微镜(一种可以在分子水平上观察蛋白质的强大技术)，研究人员接下来确定了D2-I复合物在其滑动位置和在单链和双链DNA交界处停滞的结构。这表明D2-I与单链-双链DNA连接的接触不同于它单独与双链DNA的接触。这使他们能够识别FANCD2蛋白的一个特定部分，称为“KR螺旋”，他们在单分子成像实验中显示，它对于识别和停止单链DNA间隙至关重要。与LMB PNAC分部的Guillaume Guilbaud和Julian Sale以及荷兰Hubrecht研究所的Themos Liolios和Puck Knipscheer合作，他们进一步证明了D2-I复合体使用KR螺旋在这些连接处停止的能力对于FA途径修复DNA至关重要。

当DNA在我们的细胞中正常复制时，它会拆开两条DNA链，并复制每一条DNA链。这就产生了一个“复制叉”，原始DNA链被解开，新的双链DNA在每条链上形成。然而，当这个分叉到达DNA交联时，这些链就不能被解开，从而阻碍了通常的DNA复制过程。因此，这个停滞的复制叉包含了暴露的单链间隙，DNA已被解开但未被复制。这项研究表明，D2-I蛋白复合体紧紧地附着在停滞复制叉的单链和双链DNA之间的这些连接上。这不仅允许D2-I复合物将其他FA途径蛋白带到DNA交联中以启动修复，而且还锚定了剩余的双链DNA，保护停滞的“复制叉”免受细胞内酶的破坏，酶会咀嚼DNA链暴露的末端，进一步破坏DNA。这项工作表明，是DNA内的DNA结构由于DNA交联而停止，而不是DNA本身，触发D2-I复合体停止滑动并夹紧DNA以启动修复。这些停滞的复制分叉出现在许多类型的DNA损伤中，解释了D2-I复合物在其他形式的DNA修复以及通过FA途径中的广泛作用。

了解DNA修复的过程，更重要的是，为什么它会失败，具有巨大的重要性，因为DNA损伤是许多疾病的关键因素。关键的是，许多抗癌药物，例如顺铂，是通过对癌细胞造成严重的细胞损伤，使其停止分裂并死亡而起作用的。在这种情况下，DNA修复途径——正常生活中如此重要的生理过程——可能被癌细胞劫持，利用它们来抵抗化疗药物的作用。了解DNA修复途径第一步的机制基础可能会导致使患者敏感的方法，从而使癌症药物在未来更有效。

参考资料

[1] FANCD2–FANCI surveys DNA and recognizes double- to single-stranded junctions