挑戰(zhàn)諾獎理論？《自然》提出大范圍DNA修復新理論

醫(yī)學abeycd 2022-04-13

展開全文

Crucial role and mechanism of transcription-coupled DNA repair in bacteria

作者：Bharati, Binod K., Gowder, Manjunath, Zheng, Fangfang, Alzoubi, Khaled, Svetlov, Vladimir, Kamarthapu, Venu, Weaver, Jacob W., Epshtein, Vitaly, Vasilyev, Nikita, Shen, Liqiang, Zhang, Yu, Nudler, Evgeny

Nature

發(fā)表時間：2022/03/30

數(shù)字識別碼：10.1038/s41586-022-04530-6

Transcription-coupled DNA repair (TCR) is presumed to be a minor sub-pathway of nucleotide excision repair (NER) in bacteria. Global genomic repair is thought to perform the bulk of repair independently of transcription. TCR is also believed to be mediated exclusively by Mfd—a DNA translocase of a marginal NER phenotype1,2,3. Here we combined in cellulo cross-linking mass spectrometry with structural, biochemical and genetic approaches to map the interactions within the TCR complex (TCRC) and to determine the actual sequence of events that leads to NER in vivo. We show that RNA polymerase (RNAP) serves as the primary sensor of DNA damage and acts as a platform for the recruitment of NER enzymes. UvrA and UvrD associate with RNAP continuously, forming a surveillance pre-TCRC. In response to DNA damage, pre-TCRC recruits a second UvrD monomer to form a helicase-competent UvrD dimer that promotes backtracking of the TCRC. The weakening of UvrD–RNAP interactions renders cells sensitive to genotoxic stress. TCRC then recruits a second UvrA molecule and UvrB to initiate the repair process. Contrary to the conventional view, we show that TCR accounts for the vast majority of chromosomal repair events; that is, TCR thoroughly dominates over global genomic repair. We also show that TCR is largely independent of Mfd. We propose that Mfd has an indirect role in this process: it participates in removing obstructive RNAPs in front of TCRCs and also in recovering TCRCs from backtracking after repair has been completed.

2015年，諾貝爾化學獎授予了在“DNA修復機制”領(lǐng)域做出卓越貢獻的三位科學家。作為遺傳信息的基礎(chǔ)，DNA分子需要保持結(jié)構(gòu)完整，才能讓生命存活和延續(xù)。但DNA分子很容易因為細胞代謝、紫外線輻射、有毒性的活性分子等多種因素遭到破壞，導致有害的突變或是細胞死亡。

因此，DNA修復機制至關(guān)重要。這套分子機制持續(xù)不斷地監(jiān)測著基因組，快速發(fā)現(xiàn)并修復受損的DNA區(qū)域，從而保證我們好好活下去。三位諾獎得主以及很多科學家的研究工作，揭示了幾種修復DNA損傷的機制，包括堿基切除修復、核苷酸切除修復、堿基錯配修復。

“轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復”（transcription-coupled repair，TCR）是核苷酸切除修復（NER）的一種方式，也就是切除受損的DNA區(qū)域，換上正確副本。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復，顧名思義依賴于轉(zhuǎn)錄過程，也就是RNA聚合酶沿著DNA鏈移動，讀取DNA密碼，然后轉(zhuǎn)錄成RNA分子，指導后續(xù)的蛋白質(zhì)構(gòu)建。

過去的研究普遍認為，轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復相對次要，沒有對修復做出太大貢獻，因為該過程只發(fā)生在高度轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)域。相比之下，另一種不依賴轉(zhuǎn)錄過程的“全基因組核苷酸切除”方式，負責掃描和修復DNA的大部分區(qū)域，被認為是核苷酸切除修復的“主力”。

然而，頂尖學術(shù)期刊《自然》最新上線的一篇論文中，紐約大學Evgeny Nudler教授和中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心張余教授合作的研究團隊指出，轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復的重要性一直以來被大大低估，其具體機制也與過去的推斷并不一樣。Nudler教授說：“根據(jù)我們的發(fā)現(xiàn)，DNA修復領(lǐng)域的一些基本理論需要重新思考?！?/span>

這項研究發(fā)現(xiàn)，核苷酸切除修復絕大多數(shù)時候與RNA聚合酶偶聯(lián)，而RNA聚合酶則可以對細菌的整個基因組進行掃描查找損傷。而且，這一過程獨立于Mfd蛋白——在諾獎得主過去的工作中，Mfd蛋白被認為是介導大腸桿菌轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復的關(guān)鍵蛋白。

之所以得出這一顛覆性的結(jié)果，得益于技術(shù)突破，研究人員可以在活的大腸桿菌細胞中觀察轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復的過程，而過去的實驗方法通常只能在細胞外試圖重構(gòu)復雜的蛋白質(zhì)相互作用，無法完全重現(xiàn)細菌細胞中核苷酸切除修復是如何發(fā)生的。

研究人員采用的前沿技術(shù)稱為交聯(lián)質(zhì)譜（crosslinking mass spectrometry），利用交聯(lián)劑將蛋白質(zhì)復合體中空間距離足夠接近的兩個氨基酸通過共價鍵連接起來，同時還結(jié)合結(jié)構(gòu)、生化和遺傳方法，首次確定了轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復復合物（TCRC）組裝時的相互作用表面，并最終確定活細胞內(nèi)核苷酸酸切除修復的實際事件序列。

使用交聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)獲得的pre-TCR（b圖）和TCR（d圖）模型（圖片來源：參考資料[1]）

研究得出的新模型表明，RNA聚合酶是核苷酸切除修復復合物的組裝支架，也是在整個基因組中讀取DNA損傷的主要傳感器。結(jié)果顯示，核苷酸切除修復主要的兩種酶UvrA和UvrD不能自行定位大多數(shù)DNA病變，而是通過與RNA聚合酶持續(xù)關(guān)聯(lián)，進行監(jiān)測和修復啟動。

“在這項研究中我們描述的細菌TCRC在人類細胞中有對應的類似物，我們推測，包括人類細胞在內(nèi)的其他真核生物，也使用RNA 聚合酶在全基因組范圍內(nèi)進行有效修復?！毖芯空撐牡墓餐谝蛔髡連inod Bharati 博士認為。

Nudler教授補充說：“真正理解DNA修復是生物醫(yī)學的一個基本目標，因為大多數(shù)抗生素和化療是通過破壞DNA 來殺死致病細胞，阻斷細胞的DNA修復能力便意味著現(xiàn)有藥物可以更有效地攻擊致病細胞?！?/span>

展望未來，研究團隊計劃進一步確認人體細胞中是否存在全基因組范圍的轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復，如果得到確認，人們將可以探索促進修復對抗衰老疾病的新方法。

參考資料：

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

[2] Researchers discover new model for “global” DNA repair. Retrieved Mar. 31, 2022 from https://www./news-releases/947994