《Nature》新發現揭示了DNA修復途徑的關鍵過程

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-08-05 11:12:00【大中小】

摘要：我們最重要的DNA修復系統之一如何識別DNA損傷并啟動修復的基本機制。

倫敦醫學科學實驗室(LMS)和劍橋分子生物學實驗室(LMB)這兩家由英國醫學研究委員會(Medical Research Council)核心資助的研究機構的研究人員進行了一次優雅的合作，解決了一個長達數十年的謎團，這可能為未來更好的癌癥治療鋪平道路。

這項工作揭示了我們最重要的DNA修復系統之一如何識別DNA損傷并啟動修復的基本機制，多年來一直困擾著研究人員。利用尖端成像技術可視化這些DNA修復蛋白如何在單個DNA分子上移動，并用電子顯微鏡捕捉它們如何“鎖定”特定的DNA結構，這項研究為更有效的癌癥治療開辟了道路。

圖1 FANCD2-FANCI調查DNA并識別雙鏈至單鏈連接

David Rueda教授(LMS)和Lori Passmore博士(LMB)實驗室的研究人員正在合作研究一種DNA修復途徑，即20多年前發現的范可尼貧血(Fanconi anemia, FA)途徑。在我們的一生中，DNA不斷受到環境因素的破壞，包括來自太陽的紫外線、飲酒、吸煙、污染和接觸化學物質。DNA受損的一種方式是當它“交聯”時，它無法正常復制和表達基因。為了自我復制并讀取和表達基因，DNA雙螺旋的兩條鏈首先必須解壓縮成單鏈。當DNA交聯時，兩條鏈的“核苷酸”(DNA雙螺旋階梯中的“臺階”)粘在一起，阻止了這種解鏈。

包括交聯在內的DNA損傷的積累會導致癌癥。FA通路在我們的一生中都很活躍，它能識別這些損傷，并不斷修復它們。基因突變使這一途徑不那么有效的個體更容易患癌癥。雖然參與FA途徑的蛋白質在一段時間前就被發現了，但它們是如何識別交聯DNA并啟動DNA修復過程的，仍然是個謎。

來自MRC LMS姊妹機構，劍橋LMB的團隊，由Lori Passmore領導，之前已經確定了FANCD2-FANCI (D2-I)蛋白復合物，它在FA途徑的第一步中起作用，夾在DNA上，從而在交聯中啟動DNA修復。然而，關鍵問題仍然存在:D2-I如何識別交聯DNA，為什么D2-I復合體也與其他類型的DNA損傷有關?

今天發表在《Nature》雜志上的文章結合了尖端的科學技術，展示了D2-I復合物沿著雙鏈DNA滑動，監測其完整性，并且還優雅地可視化了它如何識別停止的位置，允許蛋白質移動并在該點鎖定在一起，從而啟動DNA修復。

圖2 D2-I鉗在DNA上滑動的單分子成像

David Rueda的單分子成像小組的Artur Kaczmarczyk和Korak Ray與Lori Passmore小組的Pablo Alcón合作，使用了一種稱為“相關光學鑷子和熒光成像”的最先進的顯微鏡技術來探索D2-I復合物如何沿著雙鏈DNA分子滑動。使用光學鑷子，他們可以在兩個珠子之間捕獲單個DNA分子，這使他們能夠精確地操縱DNA并將其與選定的蛋白質孵育。利用熒光標記的D2-I和單分子成像，他們觀察了單個D2-I復合物如何與DNA結合并沿著DNA滑動，掃描雙螺旋結構。他們發現，FA鉗不是直接識別DNA兩條鏈之間的交聯，而是在到達單鏈DNA間隙時停止滑動，單鏈DNA間隙是一條DNA鏈缺失的區域。

利用冷凍電子顯微鏡(一種可以在分子水平上觀察蛋白質的強大技術)，研究人員接下來確定了D2-I復合物在其滑動位置和在單鏈和雙鏈DNA交界處停滯的結構。這表明D2-I與單鏈-雙鏈DNA連接的接觸不同于它單獨與雙鏈DNA的接觸。這使他們能夠識別FANCD2蛋白的一個特定部分，稱為“KR螺旋”，他們在單分子成像實驗中顯示，它對于識別和停止單鏈DNA間隙至關重要。與LMB PNAC分部的Guillaume Guilbaud和Julian Sale以及荷蘭Hubrecht研究所的Themos Liolios和Puck Knipscheer合作，他們進一步證明了D2-I復合體使用KR螺旋在這些連接處停止的能力對于FA途徑修復DNA至關重要。

當DNA在我們的細胞中正常復制時，它會拆開兩條DNA鏈，并復制每一條DNA鏈。這就產生了一個“復制叉”，原始DNA鏈被解開，新的雙鏈DNA在每條鏈上形成。然而，當這個分叉到達DNA交聯時，這些鏈就不能被解開，從而阻礙了通常的DNA復制過程。因此，這個停滯的復制叉包含了暴露的單鏈間隙，DNA已被解開但未被復制。這項研究表明，D2-I蛋白復合體緊緊地附著在停滯復制叉的單鏈和雙鏈DNA之間的這些連接上。這不僅允許D2-I復合物將其他FA途徑蛋白帶到DNA交聯中以啟動修復，而且還錨定了剩余的雙鏈DNA，保護停滯的“復制叉”免受細胞內酶的破壞，酶會咀嚼DNA鏈暴露的末端，進一步破壞DNA。這項工作表明，是DNA內的DNA結構由于DNA交聯而停止，而不是DNA本身，觸發D2-I復合體停止滑動并夾緊DNA以啟動修復。這些停滯的復制分叉出現在許多類型的DNA損傷中，解釋了D2-I復合物在其他形式的DNA修復以及通過FA途徑中的廣泛作用。

了解DNA修復的過程，更重要的是，為什么它會失敗，具有巨大的重要性，因為DNA損傷是許多疾病的關鍵因素。關鍵的是，許多抗癌藥物，例如順鉑，是通過對癌細胞造成嚴重的細胞損傷，使其停止分裂并死亡而起作用的。在這種情況下，DNA修復途徑——正常生活中如此重要的生理過程——可能被癌細胞劫持，利用它們來抵抗化療藥物的作用。了解DNA修復途徑第一步的機制基礎可能會導致使患者敏感的方法，從而使癌癥藥物在未來更有效。

參考資料

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