PNAS丨王嘉东团队揭示ARK2N-CK2复合体参与光辐射损伤修复的机制

　　

2024年6月6日，北京大学基础医学院王嘉东教授课题组在PNAS期刊上发表文章The ARK2N-CK2 complex initiates transcription-coupled repair through enhancing the interaction of CSB with lesion-stalled RNAPII，揭示了ARK2N-CK2复合体参与光辐射损伤修复的新机制。他们发现在光辐射损伤后，ARK2N-CK2复合体能够介导科凯恩综合征蛋白B（CSB）的磷酸化，增强CSB与停滞RNAPII的结合，使CSB能够持续定位于受损染色质处，进而招募后续TC-NER修复因子完成修复并恢复转录，从而帮助光辐射损伤修复并避免早衰症的发生。

光辐射对DNA造成直接损伤并阻碍RNA聚合酶II（RNAPII）转录和DNA复制，从而对受照射个体造成伤害，导致早衰甚至癌症的发生。个体进化出复杂生物化学反应以应对光辐射或内源性DNA损伤，其中，科凯恩综合征蛋白B（CSB）启动转录偶联核苷酸切除修复（TC-NER）就是修复由光辐射或其它内源性DNA损伤导致的RNAPII停滞的最重要机器。CSB具有ATP酶活性的染色质重塑因子，其突变会导致严重的科凯恩综合征（Cockayne Syndrome）。CSB突变导致的常染色体隐性遗传的患者会以正常人5-10倍的速度衰老，生存期一般不超过20岁。CSB在细胞内动态的结合RNAPII，监视RNAPII运行是否顺畅。当RNAPII遇到自然暂停位点和较小的损伤，如核小体和8-oxoG，CSB可以利用其ATP酶活性推动RNAPII通过这些位点，使转录持续进行。然而，CSB无法推动RNAPII通过体积较大的螺旋扭曲损伤，如光辐射损伤导致的环烷二聚体（CPD）区域。在这种情况下，CSB启动TC-NER移除阻滞的RNAPII。因此，CSB具有截然相反的两个功能：推动RNAPII向前移动和启动TC-NER移除RNAPII。但困扰此研究领域已久的一个问题是：CSB如何决定推动RNAPII向前还是移除RNAPII启动TC-NER。

为探究在光辐射损伤发生后调节CSB功能的潜在分子，该研究首先应用串联亲和纯化偶联质谱技术鉴定出CSB的新的结合蛋白ARK2N，并验证二者在UV损伤后相互作用增强。接着，研究人员利用紫外激光微辐射束实验和邻位连接技术证明UV损伤后ARK2N以依赖CSB的方式被招募到损伤位点，且ARK2N的缺失可以显著降低UV损伤后细胞的TC-NER效率、转录恢复效率以及存活率，提示其参与TC-NER。同样应用激光微辐射束实验以及邻位连接技术等手段，研究人员发现ARK2N通过增强UV损伤后RNAPII与CSB的相互作用来促进CSB在结合损伤位点后的稳定性，进而使得CSB可以启动TC-NER。

接下来，为了进一步探究ARK2N调控CSB的背后机制，研究人员进一步阐明ARK2N对CSB的调节依赖于其结合蛋白CK2在UV损伤后对CSB C端的S1068、S1142和S1189位点的磷酸化，这些位点的突变导致CSB与RNAPII以及CSB-染色质结合之间的结合减弱。此外，研究人员利用酶活检测实验和突变体回补实验证明UV损伤后CK2在损伤位点的招募和激活依赖ARK2N，且CK2的激活是TC-NER所必需的。

最后，研究人员在小鼠模型中进行了验证。与野生型小鼠相比，ARK2N同源基因敲除的小鼠表现出皮肤光损伤敏感性大幅增加、运动不协调、神经发育受损以及早衰等表型，这与目前所报道的TC-NER关键因子CSB缺陷小鼠的表型一致，进一步证明了ARK2N参与TC-NER。

综上所述，该研究揭示了ARK2N-CK2复合体通过调控CSB启动TC-NER的机制，揭示了新的调控CSB功能转换的分子，填补了细胞如何启动光辐射损伤TC-NER修复途径的关键一环，并为科凯恩综合征诊治提供了思路。

北京大学医学部基础医学院2019级直博生罗业飞、2019级基础医学八年制学生李佳和基础医学院主管技师李小满博士等为共同第一作者。北京大学基础医学院王嘉东教授为通讯作者。该研究得到国家杰出青年基金、国家自然科学重点项目、科技部重点研发计划资助。