对着色性干皮病致病基因产物如何确保DNA修复准确性的新见解

本研究首次解释了着色性干皮病致病基因产物(如 XPA、XPB 和 XPD)在 DNA 修复过程中的详细功能和机制。

研究背景

我们的基因组 DNA 不断受到活性氧等内源性因素以及紫外线、辐射和化学物质等环境因素的破坏。无法修复受损的 DNA 可能会导致突变和细胞死亡，最终导致癌症和其他疾病的发作。为了防止这种情况，我们的细胞配备了各种防御系统，旨在发现和修复受损的 DNA。

核苷酸切除修复 (NER) 是修复由紫外线和化学致癌物引起的多种 DNA 损伤的重要机制。许多被诊断患有着色性干皮病 (XP) 的患者在编码参与 NER 机制的蛋白质的基因之一中存在突变。众所周知，他们对紫外线诱发的皮肤癌的高度易感性尤其是由于 NER 功能的缺陷。这也告诉我们，NER 可以防御癌症。

NER 的第一步涉及 XPC 蛋白，它是几种 XP 致病基因产物之一，它作为“传感器”运行以定位 DNA 结构中的异常。XPC 具有处理多种 DNA 损伤的潜力，同时它还可以与 DNA 位点结合而不会造成任何损伤，例如碱基错配。由于在此类不当位点发生不必要的修复反应可能会增加不良突变的风险，因此必须验证是否存在任何需要修复的损伤。虽然之前已经表明基础转录因子TFIIH和XPA蛋白在这种损伤验证步骤中发挥作用，但详细机制至今仍不清楚。

研究方法论

按照 NER 过程中已知的反应步骤，目前的研究人员制备了一系列含有受损 DNA 的复合物，这些复合物依次与 XPC、TFIIH 和 XPA 结合，然后对其进行低温电子显微镜检查以详细分析其分子结构。TFIIH 是一种大型蛋白质复合物，由七个亚基组成，包括 XPB 和 XPD 蛋白，在 NER 和转录(基因表达)中起着至关重要的作用。它通常采用 U 形“马蹄形”结构，XPB 和 XPD 蛋白位于其两个张开的臂的尖端。这种马蹄形结构保留在 DNA-XPC-TFIIH 复合物中，XPB 在损伤部位与 XPC 结合，而 XPD 不与 DNA 或 XPC 相互作用(图 1C)。然而，当随后涉及 XPA 时，TFIIH 发生了重大的构象变化。

这种分子排列如何验证 DNA 损伤的存在?众所周知，XPB 起着“DNA 转位酶”的作用，它与 DNA 双链体结合并沿着其中一条 DNA 链移动。基于复合物新阐明的结构，假设 XPB 应该沿着 DNA 远离损伤位点。然而，由于受到其他蛋白质的限制，XPB 本身不能实际移动：相反，DNA 双链体向相反方向移动。换句话说，XPB 将 DNA 推入复合体中(图 1E)。因为该结构表明 XPA 的一部分插入了 XPB 后面的两条 DNA 链之间，所以预计这会将 DNA 双链体解开成单链，就像拉开拉链一样。此外，还已知 XPD 与单链 DNA 结合并沿其沿特定方向移动 (5'→3')。在 XPB 和 XPA 解开的两条 DNA 链中，XPD 与受损的链结合。然而，与 XPB 的情况一样，XPD 本身不能移动，因此损坏的链同样被拉向复合体(图 1E)。当与单链 DNA 结合时，XPD 中会形成一个狭窄的针孔，DNA 链从中穿过。因此，如果 DNA 链上存在大块病变，该部分将被困在 XPD 的入口处，从而使链停止移动(就像打结的线无法穿过针眼：图 1F) . 因此，本研究成功地阐明了验证 DNA 损伤存在的机制：进行修复反应的决定是通过 XPD 阻断 DNA 链运动做出的。实际上，

进一步的研究

目前的研究已经阐明了XPA、XPB、XPD等蛋白质的哪些部分参与了NER修复受损DNA的过程及其作用机制。随着我们对 XP 患者中这些蛋白质的致病变异诱导的结构变化对修复反应的负面影响的理解加深，它也可能支持药物和其他治疗的未来发展。尤其是日本，携带变异 XPA 的 XP 患者比例非常高，这对提高我们对蛋白质结构和功能之间关系的理解具有重要意义。