伦敦医学科学实验室 (LMS) 和剑桥分子生物学实验室 (LMB) 的研究人员合作解决了一个数十年的谜团，这可能为未来更好的癌症治疗铺平道路。
这项研究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，而这一机制多年来一直困扰着研究人员。这项研究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，并使用电子显微镜捕捉它们如何“锁定”特定的 DNA 结构，为更有效的癌症治疗开辟了道路。
David Rueda 教授（LMS）实验室和 Lori Passmore 博士（LMB）实验室之间的合作是#teamscience 如何取得丰硕成果的一个杰出典范，并强调了这两个机构在推动揭示生物学基本机制的研究方面的重要性，这将为未来将这项研究转化为人类健康的改善奠定基础。
研究人员正在研究一种 DNA 修复途径，即 20 多年前发现的范康尼贫血 [FA] 途径。
在我们的一生中，DNA 不断受到环境因素的损伤，包括太阳的紫外线、饮酒、吸烟、污染和接触化学物质。DNA 受损的一种方式是“交联”，这会导致 DNA 无法正常复制和表达基因。
为了自我复制、读取和表达基因，DNA双螺旋的两条链首先必须解开成单链。当 DNA 交联时，两条链的“核苷酸”（DNA 双螺旋梯中的“台阶”）会粘在一起，从而阻止这种解开。
DNA 损伤（包括交联）的积累会导致癌症。FA 通路在我们的一生中都很活跃，它会识别这些损伤并持续进行修复。
那些发生突变导致该途径效率降低的人更容易患上癌症。尽管参与 FA 途径的蛋白质是不久前才发现的，但它们如何识别交联 DNA 并启动 DNA 修复过程仍是一个谜。
由 Lori Passmore 领导的 MRC LMS 姊妹机构剑桥 LMB 团队此前已发现 FANCD2-FANCI (D2-I) 蛋白质复合物在 FA 通路的第一步中起作用，它夹住 DNA，从而启动交联处的 DNA 修复。
然而，关键问题仍然存在：D2-I 如何识别交联 DNA，以及为什么 D2-I 复合物也与其他类型的 DNA 损伤有关？
该研究发表在《自然》杂志上，采用了多种尖端科学技术，表明 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位置，从而使蛋白质在该点移动并锁定在一起以启动 DNA 修复。
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，使用一种被称为“相关光镊和荧光成像”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。
他们利用光镊将单个 DNA 分子捕获在两个珠子之间，从而能够精确地操纵 DNA 并将其与选定的蛋白质一起孵育。
他们利用荧光标记的 D2-I 和单分子成像技术，观察了单个 D2-I 复合物如何与 DNA 结合并沿着 DNA 滑动，从而扫描了双螺旋结构。他们发现，FA 夹具并非直接识别两条 DNA 链之间的交联，而是在到达单链 DNA 间隙（两条 DNA 链中一条缺失的区域）时停止滑动。
研究人员接下来利用低温电子显微镜（一种可以在分子水平上观察蛋白质的强大技术）确定了 D2-I 复合物在滑动位置和停滞在单链和双链 DNA 连接处的结构。
这表明 D2-I 与该单链-双链 DNA 连接处的接触不同于它与单独双链 DNA 的接触。
这使得他们能够识别 FANCD2 蛋白质的特定部分，称为“KR 螺旋”，他们在单分子成像实验中表明，它对于识别和阻止单链 DNA 间隙至关重要。
他们与 LMB PNAC 部门的 Guillaume Guilbaud 和 Julian Sale 以及荷兰 Hubrecht 研究所的 Themos Liolios 和 Puck Knipscheer 合作，进一步表明 D2-I 复合物利用 KR 螺旋在这些连接处停留的能力对于 FA 通路的 DNA 修复至关重要。
当 DNA 在我们的细胞中正常复制时，它会解开两条 DNA 链并复制每条单链。这会创建一个“复制叉”，原始 DNA 链会解开，每条链上都会形成新的双链 DNA。然而，当这个复制叉到达 DNA 交联处时，链无法解开，从而阻碍正常的 DNA 复制过程。
因此，这个停滞的复制叉包含暴露的单链间隙，DNA 在这些间隙中解开但未复制。这项研究表明，D2-I 蛋白复合物紧紧抓住的正是停滞复制叉处单链和双链 DNA 之间的这些连接点。
这不仅允许 D2-I 复合物将其他 FA 通路蛋白带到 DNA 交联处以启动修复，而且还能锚定剩余的双链 DNA，保护停滞的“复制叉”免受细胞中酶的侵蚀，这些酶会咀嚼 DNA 链的暴露末端并进一步损害 DNA。
这项研究表明，由于 DNA 交联而停滞的复制叉内的 DNA 结构，而不是 DNA 交联本身，会触发 D2-I 复合物停止滑动并夹住 DNA 以启动修复。这些停滞的复制叉出现在多种类型的 DNA 损伤中，这解释了 D2-I 复合物在其他形式的 DNA 修复以及通过 FA 通路中发挥的广泛作用。
了解 DNA 修复过程，以及它为何失败，具有重要意义，因为 DNA 损伤是许多疾病的关键因素。至关重要的是，许多抗癌药物，例如顺铂，是通过对癌细胞造成严重细胞损伤，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）可能会被癌细胞劫持，癌细胞会利用DNA修复途径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带来提高患者敏感性的方法，从而使抗癌药物在未来更有效。
发表于 2024-8-1 16:36:41