DNA分子很容易受到細(xì)胞代謝的反應(yīng)副產(chǎn)物、毒素和紫外線的損害。鑒于受損的DNA可導(dǎo)致有害的DNA和細(xì)胞死亡，細(xì)胞進(jìn)化出了DNA修復(fù)機制。然而，該領(lǐng)域一個尚未解決的主要問題是，這些修復(fù)機制如何在未受損傷的DNA的“廣闊領(lǐng)域”中迅速搜索并找到罕見的損傷區(qū)域。

過去的研究已發(fā)現(xiàn)，一種重要的搜索機制---轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupled repair, TCR）---依賴于RNA聚合酶。RNA聚合酶是一種大型蛋白復(fù)合物，在將DNA中攜帶的指令轉(zhuǎn)錄到RNA分子中時讀取DNA堿基代碼，隨后轉(zhuǎn)錄后所產(chǎn)生的RNA指導(dǎo)蛋白表達(dá)。然而， TCR機制被誤解了。

被人廣泛接受的研究工作認(rèn)為TCR在修復(fù)中發(fā)揮的作用相對較小，因為它依賴于一個推定的TCR因子，而該因子對DNA修復(fù)的貢獻(xiàn)微乎其微。作為一種平行的過程，全基因組修復(fù)（global genome repair, GGR）被認(rèn)為可以掃描和修復(fù)大部分獨立于轉(zhuǎn)錄的DNA。這兩種過程被認(rèn)為是為核苷酸切除修復(fù)（nucleotide excision repair, NER）奠定了基礎(chǔ)，而在NER中，受損的DNA片段被切掉并被一個準(zhǔn)確的拷貝所替換。

如今，兩項新的研究為細(xì)菌細(xì)胞如何不斷修復(fù)它們的DNA中的受損部分提供了一個全新的畫面。它們基于對活的大腸桿菌細(xì)胞中DNA修復(fù)的首次多階段分析，認(rèn)為如果不是全部的話，大部分的NER是與RNA聚合酶偶聯(lián)的，而RNA聚合酶掃描整個細(xì)菌遺傳密碼中的損傷。第一項研究發(fā)表在2022年4月7日的Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Crucial role and mechanism of transcription-coupled DNA repair in bacteria”。第二項研究于2022年3月30日發(fā)表在Nature Communications期刊上，論文標(biāo)題為“Pervasive Transcription-coupled DNA repair in E. coli”。

作為這兩篇論文的通訊作者，紐約大學(xué)朗格尼醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)與分子藥理學(xué)系教授Evgeny Nudler博士說，“根據(jù)我們的研究結(jié)果，我們需要重新思考DNA修復(fù)領(lǐng)域的一些基本理論。真正了解這類修復(fù)是醫(yī)學(xué)上的一個基本目標(biāo)，因為大多數(shù)抗生素和化療藥物通過破壞致病細(xì)胞的DNA來殺死它們，而阻止修復(fù)的能力將使這些細(xì)胞更容易受到現(xiàn)有藥物的傷害?！?/p>

發(fā)現(xiàn)管道

過去的研究不能完全捕捉細(xì)菌中NER的生物學(xué)現(xiàn)實，因為它們開展的實驗試圖在活細(xì)胞外重建復(fù)雜的蛋白相互作用。例如，這導(dǎo)致該領(lǐng)域?qū)⒁环N名為Mfd的蛋白定義為TCR的核心角色，即使發(fā)現(xiàn)無論Mfd是否存在，大多數(shù)DNA修復(fù)都在進(jìn)行。這反過來提示著TCR是一種次要的修復(fù)途徑。人們還認(rèn)為TCR只發(fā)生在高轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)域內(nèi)。很少轉(zhuǎn)錄的基因組區(qū)域，或者說被認(rèn)為是“非轉(zhuǎn)錄”的基因組部分，被認(rèn)為會受到GGR的影響。

第一項研究使用了一種稱為交聯(lián)質(zhì)譜（crosslinking mass spectrometry, XLMS）的突破性技術(shù)來繪制化學(xué)連接蛋白（chemically linked protein）之間的距離，從而首次確定了在活細(xì)胞中組裝的大量NER和聚合酶復(fù)合物的相互作用表面。然后，作者將光譜數(shù)據(jù)輸入計算機驅(qū)動的模擬，最終得到真實的結(jié)構(gòu)模型。

XLMS驅(qū)動的TCR復(fù)合物（TCRC）結(jié)構(gòu)建模。圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04530-6。

與傳統(tǒng)觀點相反的是，第一項研究發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶是整個NER復(fù)合物組裝的支架，也是DNA損傷的主要傳感蛋白。它證實主要的NER酶UvrA和UvrB并不能自我定位大多數(shù)損傷位點，而是由RNA聚合酶將它們遞送到這些損傷位點。作者說，這種基本的TCR過程并不依賴于Mfd。

第二項研究也是在活細(xì)胞中進(jìn)行的，利用一種叫做CPD-seq的高通量測序技術(shù)在單堿基分辨率下追蹤暴露在紫外線下的DNA出現(xiàn)的損傷，以及修復(fù)損傷的速度。CPD-seq顯示，使用抗生素利福平（rifampicin）干擾細(xì)菌轉(zhuǎn)錄，會關(guān)閉整個細(xì)菌基因組的修復(fù)。這些研究結(jié)果認(rèn)為，NER與細(xì)菌染色體各處的轉(zhuǎn)錄緊密偶聯(lián)。

在另一個引人注目的飛躍中，實驗顯示，細(xì)菌細(xì)胞在面對DNA損傷時，會抑制蛋白Rho的作用，其中Rho是一種告訴RNA聚合酶停止讀取的全局終止信號。隨著停止信號的減弱，RNA聚合酶不斷地讀取，將這些修復(fù)酶送到整個基因組中任何發(fā)生DNA損傷的地方。

作為第一篇論文的共同第一作者，Nudler實驗室博士后學(xué)者Binod Bharati博士說，“鑒于我們的發(fā)現(xiàn)，我們推測真核生物，包括人類細(xì)胞，也使用RNA聚合酶在全局范圍內(nèi)進(jìn)行高效修復(fù)，因為這兩篇論文中描述的細(xì)菌TCR復(fù)合物有人類的類似物。展望未來，我們的團隊計劃確認(rèn)人類細(xì)胞中是否存在全局TCR，如果得到確認(rèn)，將探索在未來是否可以安全地促進(jìn)修復(fù)以對抗衰老疾病?！?（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Binod K. Bharati et al. Crucial role and mechanism of transcription-coupled DNA repair in bacteria. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04530-6.

2. Britney Martinez et al. Pervasive Transcription-coupled DNA repair in E. coli. Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-28871-y.

3. Researchers discover new model for 'global' DNA repair
https:///news/2022-03-global-dna.html