《Cell》细化“核糖核苷酸切除修复”机制

一项新的研究为细菌细胞如何不断修复其DNA的缺陷部分提供了一个新兴的、全新的图景。

　　

   

   

研究酶RNAseHII通过读取遗传密码的酶来修复DNA, RNA聚合酶，当它在细菌遗传物质中“看到”错误的密码字母时剪掉

DNA修复的方法主要有四种：包括核苷酸切除修复（NER），即通过切除大片段的DNA损伤进行修复；碱基切除修复（BER），可修复个别碱基损伤；错配修复（MMR），可修复碱基的错配；双链断裂修复（DSBR），包括非同源末端连接和同源重组两种机制，前者直接连接损伤的断端而不需要模板，后者需使用完整的姐妹染色单体作为修复模板进行修复。虽然各种修复方法的复杂程度不同，但均对保持DNA结构的完整性具有重要意义。

去年，由纽约大学朗格尼健康学院生物化学和分子药理学教授Evgeny Nudler博士领导的一个团队发表了两篇关于活大肠杆菌细胞DNA修复的分析。他们发现，某些类型的DNA损伤(大的损伤)的修复，比如由紫外线照射引起的损伤，可以发生，因为受损的代码部分首先被一种叫做RNA聚合酶的蛋白质机器识别出来。RNA聚合酶沿着DNA链移动，在将指令转录成RNA分子时读取DNA“字母”的代码，然后指导蛋白质的构建。

Nudler和同事发现，在这个转录过程中，RNA聚合酶也会发现DNA损伤，然后作为一个平台组装DNA修复机器，称为核苷酸切除修复(NER)复合体。然后，NER将发现的有缺陷的DNA剪掉，并用准确的副本代替。如果没有RNA聚合酶的作用，活的细菌中几乎不会发生NER(如果有的话)。

现在，《Cell》杂志上的这项新研究提供了第一个证据，证明RER与转录紧密耦合，就像在NER途径中一样。该研究的作者发现，有证据表明，与内质网有关的关键酶RNaseHII在扫描活细菌细胞DNA链中错误结合的核糖核苷酸（ribonucleotides，构成RNA的基本单位）时，也与RNA聚合酶合作。

这项研究为细菌细胞如何不断修复其DNA的缺陷部分提供了一个新兴的、全新的图景。这种错误在细菌和其他生物的密码复制过程中是常见的。鉴于核糖核苷酸错误结合会导致有害的DNA编码改变(突变)和DNA断裂，所有生物都进化出了一种DNA修复途径，称为核糖核苷酸切除修复(RER)，可以快速修复这些错误。

核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸(DNA的组成部分)是相关的化合物。因为它们只相差一个氧原子，当细胞在细菌细胞中复制和构建DNA链时，它们经常错误地将核糖核苷酸结合到DNA链中。在细菌细胞中，DNA聚合酶III在每次复制细胞的遗传物质时会犯大约2000个这样的错误。为了保持基因组的完整性，大部分错位的核糖核苷酸被RER途径去除，但一个关键的问题是RNaseHII是如何在完整的细胞DNA代码的“海洋”中如此迅速地发现相对罕见的核糖核苷酸损伤的。

正如他们在2022年的研究中所做的那样，研究人员使用了定量质谱法和体内蛋白质-蛋白质交联来绘制化学连接蛋白质之间的距离，从而确定了RNaseHII和RNA聚合酶在活细菌细胞中相互作用时的关键表面。通过这种方法，他们确定了大多数RNaseHII分子与RNA聚合酶偶联。

此外，他们使用低温电子显微镜(CryoEM)捕捉RNA聚合酶结合的RNaseHII的高分辨率结构，以揭示定义RER复合物的蛋白质-蛋白质相互作用。此外，结构引导的基因实验削弱了RNA聚合酶/RNaseHII相互作用，损害了RER。

文章一作Zhitai Hao说：“这项工作支持了一个模型，即RNaseHII在沿着DNA移动时，通过骑在RNA聚合酶上扫描DNA，寻找错位的核糖核苷酸。这项工作对于我们对DNA修复过程的基本理解至关重要，并具有深远的临床意义。”

Nudler说：“我们的研究结果继续激发人们对DNA修复领域某些基本原理的重新思考，展望未来，我们的团队计划研究RNA聚合酶是否会扫描DNA中的各种问题，并引发全基因组修复，不仅在细菌中，而且在人类细胞中。”

RNA Polymerase Drives Ribonucleotide Excision DNA Repair in E. coli