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《Nature》新发现揭示了DNA修复途径的关键过程


  市场动态     |      2024-08-05
摘要:我们最重要的DNA修复系统之一如何识别DNA损伤并启动修复的基本机制。
伦敦医学科学实验室(LMS)和剑桥分子生物学实验室(LMB)这两家由英国医学研究委员会(Medical Research Council)核心资助的研究机构的研究人员进行了一次优雅的合作,解决了一个长达数十年的谜团,这可能为未来更好的癌症治疗铺平道路。
这项工作揭示了我们最重要的DNA修复系统之一如何识别DNA损伤并启动修复的基本机制,多年来一直困扰着研究人员。利用尖端成像技术可视化这些DNA修复蛋白如何在单个DNA分子上移动,并用电子显微镜捕捉它们如何“锁定”特定的DNA结构,这项研究为更有效的癌症治疗开辟了道路。
FANCD2-FANCI调查DNA并识别双链至单链连接
图1 FANCD2-FANCI调查DNA并识别双链至单链连接
David Rueda教授(LMS)和Lori Passmore博士(LMB)实验室的研究人员正在合作研究一种DNA修复途径,即20多年前发现的范可尼贫血(Fanconi anemia, FA)途径。在我们的一生中,DNA不断受到环境因素的破坏,包括来自太阳的紫外线、饮酒、吸烟、污染和接触化学物质。DNA受损的一种方式是当它“交联”时,它无法正常复制和表达基因。为了自我复制并读取和表达基因,DNA双螺旋的两条链首先必须解压缩成单链。当DNA交联时,两条链的“核苷酸”(DNA双螺旋阶梯中的“台阶”)粘在一起,阻止了这种解链。
包括交联在内的DNA损伤的积累会导致癌症。FA通路在我们的一生中都很活跃,它能识别这些损伤,并不断修复它们。基因突变使这一途径不那么有效的个体更容易患癌症。虽然参与FA途径的蛋白质在一段时间前就被发现了,但它们是如何识别交联DNA并启动DNA修复过程的,仍然是个谜。
来自MRC LMS姊妹机构,剑桥LMB的团队,由Lori Passmore领导,之前已经确定了FANCD2-FANCI (D2-I)蛋白复合物,它在FA途径的第一步中起作用,夹在DNA上,从而在交联中启动DNA修复。然而,关键问题仍然存在:D2-I如何识别交联DNA,为什么D2-I复合体也与其他类型的DNA损伤有关?
今天发表在《Nature》杂志上的文章结合了尖端的科学技术,展示了D2-I复合物沿着双链DNA滑动,监测其完整性,并且还优雅地可视化了它如何识别停止的位置,允许蛋白质移动并在该点锁定在一起,从而启动DNA修复。
D2-I钳在DNA上滑动的单分子成像
图2 D2-I钳在DNA上滑动的单分子成像
David Rueda的单分子成像小组的Artur Kaczmarczyk和Korak Ray与Lori Passmore小组的Pablo Alcón合作,使用了一种称为“相关光学镊子和荧光成像”的最先进的显微镜技术来探索D2-I复合物如何沿着双链DNA分子滑动。使用光学镊子,他们可以在两个珠子之间捕获单个DNA分子,这使他们能够精确地操纵DNA并将其与选定的蛋白质孵育。利用荧光标记的D2-I和单分子成像,他们观察了单个D2-I复合物如何与DNA结合并沿着DNA滑动,扫描双螺旋结构。他们发现,FA钳不是直接识别DNA两条链之间的交联,而是在到达单链DNA间隙时停止滑动,单链DNA间隙是一条DNA链缺失的区域。
利用冷冻电子显微镜(一种可以在分子水平上观察蛋白质的强大技术),研究人员接下来确定了D2-I复合物在其滑动位置和在单链和双链DNA交界处停滞的结构。这表明D2-I与单链-双链DNA连接的接触不同于它单独与双链DNA的接触。这使他们能够识别FANCD2蛋白的一个特定部分,称为“KR螺旋”,他们在单分子成像实验中显示,它对于识别和停止单链DNA间隙至关重要。与LMB PNAC分部的Guillaume Guilbaud和Julian Sale以及荷兰Hubrecht研究所的Themos Liolios和Puck Knipscheer合作,他们进一步证明了D2-I复合体使用KR螺旋在这些连接处停止的能力对于FA途径修复DNA至关重要。
当DNA在我们的细胞中正常复制时,它会拆开两条DNA链,并复制每一条DNA链。这就产生了一个“复制叉”,原始DNA链被解开,新的双链DNA在每条链上形成。然而,当这个分叉到达DNA交联时,这些链就不能被解开,从而阻碍了通常的DNA复制过程。因此,这个停滞的复制叉包含了暴露的单链间隙,DNA已被解开但未被复制。这项研究表明,D2-I蛋白复合体紧紧地附着在停滞复制叉的单链和双链DNA之间的这些连接上。这不仅允许D2-I复合物将其他FA途径蛋白带到DNA交联中以启动修复,而且还锚定了剩余的双链DNA,保护停滞的“复制叉”免受细胞内酶的破坏,酶会咀嚼DNA链暴露的末端,进一步破坏DNA。这项工作表明,是DNA内的DNA结构由于DNA交联而停止,而不是DNA本身,触发D2-I复合体停止滑动并夹紧DNA以启动修复。这些停滞的复制分叉出现在许多类型的DNA损伤中,解释了D2-I复合物在其他形式的DNA修复以及通过FA途径中的广泛作用。
了解DNA修复的过程,更重要的是,为什么它会失败,具有巨大的重要性,因为DNA损伤是许多疾病的关键因素。关键的是,许多抗癌药物,例如顺铂,是通过对癌细胞造成严重的细胞损伤,使其停止分裂并死亡而起作用的。在这种情况下,DNA修复途径——正常生活中如此重要的生理过程——可能被癌细胞劫持,利用它们来抵抗化疗药物的作用。了解DNA修复途径第一步的机制基础可能会导致使患者敏感的方法,从而使癌症药物在未来更有效。
参考资料
[1] FANCD2–FANCI surveys DNA and recognizes double- to single-stranded junctions

 

摘要:我们最重要的DNA修复系统之一如何识别DNA损伤并启动修复的基本机制。
伦敦医学科学实验室(LMS)和剑桥分子生物学实验室(LMB)这两家由英国医学研究委员会(Medical Research Council)核心资助的研究机构的研究人员进行了一次优雅的合作,解决了一个长达数十年的谜团,这可能为未来更好的癌症治疗铺平道路。
这项工作揭示了我们最重要的DNA修复系统之一如何识别DNA损伤并启动修复的基本机制,多年来一直困扰着研究人员。利用尖端成像技术可视化这些DNA修复蛋白如何在单个DNA分子上移动,并用电子显微镜捕捉它们如何“锁定”特定的DNA结构,这项研究为更有效的癌症治疗开辟了道路。
FANCD2-FANCI调查DNA并识别双链至单链连接
图1 FANCD2-FANCI调查DNA并识别双链至单链连接
David Rueda教授(LMS)和Lori Passmore博士(LMB)实验室的研究人员正在合作研究一种DNA修复途径,即20多年前发现的范可尼贫血(Fanconi anemia, FA)途径。在我们的一生中,DNA不断受到环境因素的破坏,包括来自太阳的紫外线、饮酒、吸烟、污染和接触化学物质。DNA受损的一种方式是当它“交联”时,它无法正常复制和表达基因。为了自我复制并读取和表达基因,DNA双螺旋的两条链首先必须解压缩成单链。当DNA交联时,两条链的“核苷酸”(DNA双螺旋阶梯中的“台阶”)粘在一起,阻止了这种解链。
包括交联在内的DNA损伤的积累会导致癌症。FA通路在我们的一生中都很活跃,它能识别这些损伤,并不断修复它们。基因突变使这一途径不那么有效的个体更容易患癌症。虽然参与FA途径的蛋白质在一段时间前就被发现了,但它们是如何识别交联DNA并启动DNA修复过程的,仍然是个谜。
来自MRC LMS姊妹机构,剑桥LMB的团队,由Lori Passmore领导,之前已经确定了FANCD2-FANCI (D2-I)蛋白复合物,它在FA途径的第一步中起作用,夹在DNA上,从而在交联中启动DNA修复。然而,关键问题仍然存在:D2-I如何识别交联DNA,为什么D2-I复合体也与其他类型的DNA损伤有关?
今天发表在《Nature》杂志上的文章结合了尖端的科学技术,展示了D2-I复合物沿着双链DNA滑动,监测其完整性,并且还优雅地可视化了它如何识别停止的位置,允许蛋白质移动并在该点锁定在一起,从而启动DNA修复。
D2-I钳在DNA上滑动的单分子成像
图2 D2-I钳在DNA上滑动的单分子成像
David Rueda的单分子成像小组的Artur Kaczmarczyk和Korak Ray与Lori Passmore小组的Pablo Alcón合作,使用了一种称为“相关光学镊子和荧光成像”的最先进的显微镜技术来探索D2-I复合物如何沿着双链DNA分子滑动。使用光学镊子,他们可以在两个珠子之间捕获单个DNA分子,这使他们能够精确地操纵DNA并将其与选定的蛋白质孵育。利用荧光标记的D2-I和单分子成像,他们观察了单个D2-I复合物如何与DNA结合并沿着DNA滑动,扫描双螺旋结构。他们发现,FA钳不是直接识别DNA两条链之间的交联,而是在到达单链DNA间隙时停止滑动,单链DNA间隙是一条DNA链缺失的区域。
利用冷冻电子显微镜(一种可以在分子水平上观察蛋白质的强大技术),研究人员接下来确定了D2-I复合物在其滑动位置和在单链和双链DNA交界处停滞的结构。这表明D2-I与单链-双链DNA连接的接触不同于它单独与双链DNA的接触。这使他们能够识别FANCD2蛋白的一个特定部分,称为“KR螺旋”,他们在单分子成像实验中显示,它对于识别和停止单链DNA间隙至关重要。与LMB PNAC分部的Guillaume Guilbaud和Julian Sale以及荷兰Hubrecht研究所的Themos Liolios和Puck Knipscheer合作,他们进一步证明了D2-I复合体使用KR螺旋在这些连接处停止的能力对于FA途径修复DNA至关重要。
当DNA在我们的细胞中正常复制时,它会拆开两条DNA链,并复制每一条DNA链。这就产生了一个“复制叉”,原始DNA链被解开,新的双链DNA在每条链上形成。然而,当这个分叉到达DNA交联时,这些链就不能被解开,从而阻碍了通常的DNA复制过程。因此,这个停滞的复制叉包含了暴露的单链间隙,DNA已被解开但未被复制。这项研究表明,D2-I蛋白复合体紧紧地附着在停滞复制叉的单链和双链DNA之间的这些连接上。这不仅允许D2-I复合物将其他FA途径蛋白带到DNA交联中以启动修复,而且还锚定了剩余的双链DNA,保护停滞的“复制叉”免受细胞内酶的破坏,酶会咀嚼DNA链暴露的末端,进一步破坏DNA。这项工作表明,是DNA内的DNA结构由于DNA交联而停止,而不是DNA本身,触发D2-I复合体停止滑动并夹紧DNA以启动修复。这些停滞的复制分叉出现在许多类型的DNA损伤中,解释了D2-I复合物在其他形式的DNA修复以及通过FA途径中的广泛作用。
了解DNA修复的过程,更重要的是,为什么它会失败,具有巨大的重要性,因为DNA损伤是许多疾病的关键因素。关键的是,许多抗癌药物,例如顺铂,是通过对癌细胞造成严重的细胞损伤,使其停止分裂并死亡而起作用的。在这种情况下,DNA修复途径——正常生活中如此重要的生理过程——可能被癌细胞劫持,利用它们来抵抗化疗药物的作用。了解DNA修复途径第一步的机制基础可能会导致使患者敏感的方法,从而使癌症药物在未来更有效。
参考资料
[1] FANCD2–FANCI surveys DNA and recognizes double- to single-stranded junctions