挑战诺奖理论？《自然》提出大范围DNA修复新理论

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

发表时间：2022/03/30

数字识别码：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，诺贝尔化学奖授予了在“DNA修复机制”领域做出卓越贡献的三位科学家。作为遗传信息的基础，DNA分子需要保持结构完整，才能让生命存活和延续。但DNA分子很容易因为细胞代谢、紫外线辐射、有毒性的活性分子等多种因素遭到破坏，导致有害的突变或是细胞死亡。

因此，DNA修复机制至关重要。这套分子机制持续不断地监测着基因组，快速发现并修复受损的DNA区域，从而保证我们好好活下去。三位诺奖得主以及很多科学家的研究工作，揭示了几种修复DNA损伤的机制，包括碱基切除修复、核苷酸切除修复、碱基错配修复。

“转录偶联修复”（transcription-coupled repair，TCR）是核苷酸切除修复（NER）的一种方式，也就是切除受损的DNA区域，换上正确副本。转录偶联修复，顾名思义依赖于转录过程，也就是RNA聚合酶沿着DNA链移动，读取DNA密码，然后转录成RNA分子，指导后续的蛋白质构建。

过去的研究普遍认为，转录偶联修复相对次要，没有对修复做出太大贡献，因为该过程只发生在高度转录的DNA区域。相比之下，另一种不依赖转录过程的“全基因组核苷酸切除”方式，负责扫描和修复DNA的大部分区域，被认为是核苷酸切除修复的“主力”。

然而，顶尖学术期刊《自然》最新上线的一篇论文中，纽约大学Evgeny Nudler教授和中科院分子植物科学卓越创新中心张余教授合作的研究团队指出，转录偶联修复的重要性一直以来被大大低估，其具体机制也与过去的推断并不一样。Nudler教授说：“根据我们的发现，DNA修复领域的一些基本理论需要重新思考。”

这项研究发现，核苷酸切除修复绝大多数时候与RNA聚合酶偶联，而RNA聚合酶则可以对细菌的整个基因组进行扫描查找损伤。而且，这一过程独立于Mfd蛋白——在诺奖得主过去的工作中，Mfd蛋白被认为是介导大肠杆菌转录偶联修复的关键蛋白。

之所以得出这一颠覆性的结果，得益于技术突破，研究人员可以在活的大肠杆菌细胞中观察转录偶联修复的过程，而过去的实验方法通常只能在细胞外试图重构复杂的蛋白质相互作用，无法完全重现细菌细胞中核苷酸切除修复是如何发生的。

研究人员采用的前沿技术称为交联质谱（crosslinking mass spectrometry），利用交联剂将蛋白质复合体中空间距离足够接近的两个氨基酸通过共价键连接起来，同时还结合结构、生化和遗传方法，首次确定了转录偶联修复复合物（TCRC）组装时的相互作用表面，并最终确定活细胞内核苷酸酸切除修复的实际事件序列。

使用交联质谱技术获得的pre-TCR（b图）和TCR（d图）模型（图片来源：参考资料[1]）

研究得出的新模型表明，RNA聚合酶是核苷酸切除修复复合物的组装支架，也是在整个基因组中读取DNA损伤的主要传感器。结果显示，核苷酸切除修复主要的两种酶UvrA和UvrD不能自行定位大多数DNA病变，而是通过与RNA聚合酶持续关联，进行监测和修复启动。

“在这项研究中我们描述的细菌TCRC在人类细胞中有对应的类似物，我们推测，包括人类细胞在内的其他真核生物，也使用RNA 聚合酶在全基因组范围内进行有效修复。”研究论文的共同第一作者Binod Bharati 博士认为。

Nudler教授补充说：“真正理解DNA修复是生物医学的一个基本目标，因为大多数抗生素和化疗是通过破坏DNA 来杀死致病细胞，阻断细胞的DNA修复能力便意味着现有药物可以更有效地攻击致病细胞。”

展望未来，研究团队计划进一步确认人体细胞中是否存在全基因组范围的转录偶联修复，如果得到确认，人们将可以探索促进修复对抗衰老疾病的新方法。 

 

参考资料：

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

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