Nature：最新发现一类DNA修复酶

　　

生物通报道：今年的诺贝尔化学奖颁给了三位科学家们，以表彰他们在DNA修复的细胞机制方面的研究。十月二十八日在《Nature》杂志上发表的一项最新研究，发现了一类新的DNA修复酶。延伸阅读：2015诺贝尔化学奖公布：DNA修复机制。

当科学家们首次发现DNA的结构时，认为它的化学性质是极其稳定的，这使得它可以作为基因蓝图，将父母的基本特征传递给其后代。尽管这一观点在公众当中仍然很流行，但生物学家们了解到，双螺旋结构实际上是一种高反应性的分子，它不断地被破坏，细胞必须不断地修复，以保护它所包含的基因信息。

这项研究的负责人、范德堡大学生物科学和生物化学副教授Brandt Eichman说：“这是一把双刃剑。如果DNA太过反应性，那么它就不能储存遗传信息。但是，如果它过于稳定，那么它就不允许生物体进化。”

DNA双螺旋就像一架螺旋形梯子，糖和磷酸犹如梯子的两道扶手，支撑两侧。梯子的横档由相互交替的碱基对组成。在细胞分裂的过程中，DNA的两股螺旋梯会从中分来，以原来的碱基对序列为模版制造出一模一样的新梯状结构。通过这种方式，遗传信息便可传递给后代。

DNA损伤或病变有两个基本来源：环境来源，包括紫外线、有毒化学品和电离辐射；内部来源，包括一些细胞自己的代谢物（在正常代谢过程中产生的化学物质）、活性氧，甚至水。

本文第一作者、Eichman实验室博士后Elwood Mullins指出：“每天，人体的每个细胞中都会发生超过10000个DNA损伤事件，必须进行修复才能使DNA正常发挥作用。”

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新发现的DNA修复酶是一种DNA糖基化酶，DNA糖基化酶是由Tomas Lindahl发现的一个酶家族，他获得了今年的诺贝尔化学奖，承认这些酶可通过一个称为碱基切除修复的过程去除受损的DNA碱基。这是目前生物学家已经确定的10个不同的基因修复途径中的第一个。

在碱基切除修复过程中，一个特定的糖基化酶分子在病变位置与DNA结合，并使双螺旋弯曲，这种方式会使受损的碱基从螺旋内部内翻转到外部。这种酶安装在翻转碱基的周围，并将其固定在一个位置，将其链接暴露于DNA的糖骨干，从而使酶与它分离。在损坏的碱基被移除后，其他的DNA修复蛋白进入，并用一个原始碱基取代它。

Eichman及其合作者发现，在蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus，一种土壤寄居菌，可引起一种称为炒饭综合征的食物中毒）中发现的一个糖基化酶AlkD，可以一种完全不同的方式起作用。它不需要碱基翻转来识别受损的DNA或修复它。

七年前，Eichman的研究小组发现，AlkD有一种不同于其他糖基化酶的结构。研究人员确定，这种酶能够找到带正电荷的受损DNA。这是烷基化的签名，将不同长度的碳氢原子链（甲基、乙基等）附着在受损碱基的特定位置上。带正电荷的烷基化碱基，是最丰富的和最有害的DNA损伤。然而，它们是高度不稳定的，这使得它们很难研究。

现在，研究人员在烷基化损伤切除的时候，捕获到了AlkD的结晶快照，并表明这种酶不使用碱基翻转。他们确定，相反，AlkD与DNA骨架和周围病变形成一系列的相互作用，病变仍堆放在双螺旋中。几个这样的相互作用，是由催化受损碱基切割的酶当中的三个氨基酸引起的。

根据研究人员介绍，AlkD有几个卓越性能：
•它可以间接地识别受损碱基。AlkD通过与DNA骨干相互作用来确定病变，本身不接触受损的碱基。

•只要它们是带正电荷的，就可以修复许多不同类型的病变。相比之下，其他糖基化酶使用的碱基翻转机制，依赖于这种酶当中一种相对紧密结合的口袋，所以每种糖基化酶被设计成只对有限数量的病变起作用。AlkD没有同类型的口袋，所以不限制于相同的方式。相反，AlkD使用的催化机制，只限于去除带正电的病变。

•它能比其他糖基化酶切除更庞大的病变。碱基切除修复一般仅限于相对较小的病变。一种不同的途径，称为核苷酸切除修复，可处理较大的病变，如紫外线辐射损伤所造成的病变。然而，Eichman的团队发现，AlkD可以切除非常庞大的病变，如由抗生素yatakemycin引起的病变，这超出了其他糖基化酶的能力。

研究人员表示：“我们的研究显示，关于DNA修复我们仍然有很多需要了解的地方，而且还可能有其他的修复途径有待于我们发现。这的确表明，可以用我们认为不可能的方式去除更大范围的DNA损伤。细菌用其作为自己的优势，来保护自己免受它们生产的抗菌剂。人类甚至可能具有以类似方式运作的DNA修复酶，以消除复杂类型的DNA损伤。这可能也有临床意义，因为这些酶——如果它们存在，可能会降低某些药物的有效性，这些药物旨在通过关闭癌细胞复制的能力来杀死它们。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
The DNA glycosylase AlkD uses a non-base-flipping mechanism to excise bulky lesions
Abstract: Threats to genomic integrity arising from DNA damage are mitigated by DNA glycosylases, which initiate the base excision repair pathway by locating and excising aberrant nucleobases. How these enzymes find small modifications within the genome is a current area of intensive research. A hallmark of these and other DNA repair enzymes is their use of base flipping to sequester modified nucleotides from the DNA helix and into an active site pocket. Consequently, base flipping is generally regarded as an essential aspect of lesion recognition and a necessary precursor to base excision. Here we present the first, to our knowledge, DNA glycosylase mechanism that does not require base flipping for either binding or catalysis. Using the DNA glycosylase AlkD from Bacillus cereus, we crystallographically monitored excision of an alkylpurine substrate as a function of time, and reconstructed the steps along the reaction coordinate through structures representing substrate, intermediate and product complexes. Instead of directly interacting with the damaged nucleobase, AlkD recognizes aberrant base pairs through interactions with the phosphoribose backbone, while the lesion remains stacked in the DNA duplex. Quantum mechanical calculations revealed that these contacts include catalytic charge–dipole and CH–π interactions that preferentially stabilize the transition state. We show in vitro and in vivo how this unique means of recognition and catalysis enables AlkD to repair large adducts formed by yatakemycin, a member of the duocarmycin family of antimicrobial natural products exploited in bacterial warfare and chemotherapeutic trials. Bulky adducts of this or any type are not excised by DNA glycosylases that use a traditional base-flipping mechanism5. Hence, these findings represent a new model for DNA repair and provide insights into catalysis of base excision.