科学家确定DNA损伤“第一反应者”的结构

这个类比没有捕捉到的事实是，我们的DNA需要不断的维护来保持它的完整性。如果不是有专门的DNA修复机制来定期修复错误，DNA中的信息将会迅速退化。

这种修复发生在细胞周期检查点，这些检查点在DNA损伤时被激活。就像流水线上的质量保证机构一样，参与DNA损伤检查点的蛋白质会评估细胞DNA的错误，如果有必要，还会暂停细胞分裂并进行修复。当这个检查点崩溃时——这可能是由基因突变造成的——DNA损伤就会增加，结果往往是癌症。

“我们知道，这种连接是启动有效修复计划所必需的关键步骤，”德克·雷穆斯(Dirk Remus)说，他是斯隆凯特琳研究所(SKI)的一名分子生物学家，研究DNA复制和修复的基本原理。“但其中的机制完全不清楚。”

现在，多亏了雷穆斯博士的实验室和SKI结构生物学家理查德·海特的合作，一幅关于9-1-1钳是如何被吸收到DNA损伤部位的清晰画面出现了。该研究结果于2022年3月21日发表在《Nature Structural and Molecular Biology》杂志上，挑战了该领域的传统智慧。

互补的专业知识会产生令人惊讶的结果

这一惊人的发现源于两个专业知识互补的实验室的合作。雷穆斯博士的实验室使用生化方法来研究DNA复制和修复的过程。他过去几年研究的主要目标是在试管中重建整个DNA复制和修复过程，而不是周围的细胞。

通过这一努力，他的实验室已经纯化出了修复机制的几种成分，包括9-1-1蛋白质和促进9-1-1与DNA结合的蛋白质。

雷穆斯博士意识到，如果这些复合物能以原子的分辨率来观察，它们就能提供修复过程中各个步骤的一组定格图像。于是他向海特博士的实验室寻求帮助。

“我说，‘我们有这种情结;你能帮我们确定它的分子结构，弄清楚它是如何工作的吗?”这就是他所做的。”

海特博士是一名结构生物学家，擅长使用低温电子显微镜，这种技术可以通过观察蛋白质和蛋白质组合的细颗粒运动来实现研究，这种分辨率可以揭示蛋白质中单个氨基酸的位置。就像机器的齿轮和杠杆一样，正是这些氨基酸的运动让蛋白质成为细胞的主力，包括那些修复DNA的氨基酸。

“当德克来找我们的时候，我们意识到我们实验室在过去几年里开发的许多工具非常适合回答这个问题，”海特博士说。“使用低温电子显微镜，我们不仅能够确定一个结构，而且能够确定整个结构。根据新的数据和以前的生化数据，把这些结构按逻辑模式组合在一起，我们就能提出这个夹子如何工作的建议。”

他们做到了，结果令人惊讶。

海特博士说:“我们开发的这个模型有一些有趣的特征，与之前人们认为的这些类型的夹子加载到DNA上的方式相矛盾。”

“当里奇第一次创造出这个结构时，我认为他搞错了，因为它出乎所有人的意料，”雷穆斯博士补充道。“现在，事后看来，这一切都说得通。”

围绕DNA的DNA钳打开和关闭的新模型

雷穆斯博士说:“在此之前的所有研究都认为，9-1-1钳会以锁紧垫圈的方式打开，基本上9-1-1钳开口的两端会旋转出平面，形成一个狭窄的间隙。但里奇观察到，9-1-1钳的打开幅度比预期的要大得多，而且是在平面上完全打开的——不像锁垫圈那样出现扭转。”

科学家们指出，锁垫圈模型（lock-washer model）已经存在了20年，一直是该领域中夹子如何加载DNA的指导范式。但在这种情况下，这是错误的。

另一个令人惊讶的发现是，在正常的DNA复制过程中，9-1-1钳载器复合体以与其他钳载器复合体相反的方向结合DNA。这一发现解释了9-1-1是如何被专门招募到DNA损伤部位的。

从基础研究到翻译研究

除了为一个基本的生物学难题提供了令人满意的答案外，Remus博士认为这项研究最终可能会导致更好的抗癌药物。

许多现有的化疗药物通过干扰癌细胞的DNA复制，产生通常由9-1-1钳引起的修复过程修复的DNA损伤类型来发挥作用。因为癌细胞修复DNA损伤的能力已经降低了，添加破坏DNA的化疗药物会破坏细胞修复DNA的能力，从而导致细胞死亡。(例如，这就是称为PARP抑制剂的药物的工作原理。)

有了这些关于9-1-1如何与其他修复蛋白质和DNA相互作用的新知识，科学家们有可能设计出专门干预这一修复过程的药物，使化疗药物更加有效。

“在SKI工作的一大好处是，基础科学家的研究可以成为转译研究的起点，最终导致更好的治疗，”海特博士说。

Juan C. Castaneda, Marina Schrecker, Dirk Remus, Richard K. Hite. Mechanisms of loading and release of the 9-1-1 checkpoint clamp. Nature Structural & Molecular Biology, 2022