研究人员发现全球DNA修复的新模型

两项研究为细菌细胞如何不断修复其DNA中受损的部分(病变)提供了全新的视角。

由纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员领导，这项工作围绕着DNA分子的细腻，这些分子容易受到细胞代谢，毒素和紫外线的反应性副产物的损害。鉴于受损的DNA会导致有害的DNA密码变化(突变)和，细胞进化成具有DNA修复机制。然而，该领域一个主要的未解决的问题是，这些机器如何在未损坏DNA的“广阔领域”中快速搜索并找到罕见的损伤片段。

过去的研究发现，一种重要的搜索机制 - 转录偶联修复或TCR - 依赖于RNA聚合酶，RNA聚合酶是沿着DNA链向下移动的大型蛋白质机器(复合物)，读取DNA“字母”的代码，因为它将指令转录成RNA分子，然后指导蛋白质构建。然而，研究作者说，进入目前的研究，TCR机制被误解了。

被广泛接受的工作，包括导致2015年诺贝尔奖的研究，认为TCR在修复中的作用相对较小，因为它依赖于假定的TCR因子，该因子对DNA修复的贡献很小。一个平行的过程，全球基因组修复(GGR)，被认为是扫描和固定大部分DNA，独立于转录。这两个过程都被认为为核苷酸切除修复(NER)奠定了基础，其中受损的DNA片段被剪除并被准确的拷贝所取代。

现在，3月30日在线发表在《自然》和《自然通讯》杂志上的两项新研究一致认为，基于对活大肠杆菌细胞中DNA修复的首次多阶段分析，大多数(如果不是全部)NER与RNA聚合酶偶联，RNA聚合酶扫描整个细菌遗传密码以寻找损伤。

“根据我们的研究结果，我们需要重新思考DNA修复领域的一些基本理论，”资深研究作者Evgeny Nudler博士说，他是纽约大学Langone Health生物化学和分子药理学系Julie Wilson Anderson教授。“真正了解这种修复是医学的基本目标，因为大多数抗生素和化学疗法通过破坏其DNA来致病细胞，而停止修复的能力将使这些细胞更容易受到现有药物的影响，”Nudler补充道，他也是霍华德休斯医学研究所的研究员。

发现管道

目前的作者说，过去的研究无法完全捕捉到细菌中NER的生物学现实，因为他们使用的实验试图在活细胞之外重新创造复杂的蛋白质相互作用。例如，这导致该领域将一种称为Mfd的蛋白质定义为TCR的核心参与者，即使大多数DNA修复被发现无论Mfd是否存在。这反过来又表明TCR是一种次要的修复途径。TCR也被认为只发生在高度转录的DNA区域内。很少转录的基因组位置，或假设是“非转录”的基因组的一部分，被认为受到GGR的影响。

新发表在《自然》杂志上的这项研究使用了一种称为交联质谱(XLMS)的突破性技术来绘制化学连接蛋白质之间的距离，从而首次确定大量NER和聚合酶复合物的相互作用表面，因为它们组装在活细胞中。然后，该团队将光谱数据输入到计算机驱动的模拟中，最终形成逼真的结构模型。

与传统的教条相反，该研究发现RNA聚合酶作为整个NER复合物组装的支架，并作为DNA病变的主要传感器。事实证明，主要的NER酶UvrA和UvrB本身并不能定位大多数病变，而是通过RNA聚合酶传递给它们。作者说，这个基本的TCR过程独立于Mfd。

发表在《自然通讯》上的第二项研究再次发表在活细胞中，它使用一种名为CPD-seq的高通量测序技术来跟踪暴露于紫外线时DNA病变的外观，以及DNA代码中分辨率低至单个字母(核苷酸)的修复速率。CPD-seq表明，使用抗生素利福平干扰细菌转录会关闭整个细菌基因组的修复。研究结果表明，NER与细菌染色体中任何地方的转录紧密耦合，细菌染色体是容纳所有基因的DNA基础设施。

在另一个令人着迷的飞跃中，实验表明，面对DNA损伤，细菌细胞抑制蛋白质Rho的作用，Rho是告诉RNA聚合酶停止读取的全局终止信号。随着停止信号的调低，RNA聚合酶继续读取，将修复酶传递到整个基因组中遇到的任何地方的DNA损伤。

“鉴于我们的发现，我们从理论上讲，真核生物，包括人类细胞，也使用RNA聚合酶在全球范围内进行有效修复，因为这里描述的细菌TCR复合物具有人类类似物，”自然研究的共同第一作者Binod Bharati博士说，他是Nudler实验室的博士后学者。“展望未来，我们的团队计划确认人类细胞中全球TCR的存在，如果得到证实，则探索将来是否可以安全地促进修复以对抗衰老疾病。

与Nudler和Bharati一起，纽约大学Langone Health生物化学和分子药理学系发表在《自然》杂志上的研究的作者是共同的第一研究作者Manjunath Gowder，Khaled Alzoubi，Vladimir Svetlov，Venu Kamarthapu，Jacob Weaver，Vitaly Epshtein和Nikita Vasilyev。此外，中国科学院植物生理生态研究所合成生物学重点实验室合成生物学重点实验室的郑芳芳、沈立强和张宇也在中国上海。本研究获得国立卫生研究院资助R01 GM126891、国家重点研发计划资助2018YFA0903701、中国科学院战略重点研究计划资助XDB29020302、中国 PNASnews@nas.edu 中 PNASnews@nas.edu 心耳科学基金31822001资助、上海市科技创新计划资助19JC1415900。

生物化学和分子药理学系自然传播研究的第一作者是布兰妮·马丁内斯。这项研究的作者还有Nudler，Bharati和Epshtein。

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