两篇Nature论文反驳传统观点：DNA修复全新模式

两项研究提供了细菌细胞如何持续修复其DNA中受损部分（损伤）的全新画面。

　　

由纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员领导的这项工作围绕着DNA分子的精细性展开，这些DNA分子很容易受到细胞代谢的反应性副产品、毒素和紫外线的损害。考虑到受损的DNA会导致有害的DNA代码改变(突变)和死亡，细胞进化出了DNA修复机制。然而，该领域尚未解决的一个主要问题是，这些机器如何在未受损DNA的“领域”中快速搜索和发现罕见的损伤。

过去的研究发现,一个重要的搜索机制：转录偶联修复（transcription-coupled repair）依赖于RNA聚合酶，这是一种大型蛋白质机器（复合物），沿着 DNA 链运动，在转录指令时读取 DNA代码进入 RNA 分子，然后指导蛋白质的构建。然而，研究作者表示，TCR 机制被误解了。

包括2015 年诺贝尔奖的研究在内，一般科学家认为TCR在修复中发挥的作用相对较小，因为它依赖于一个推定的TCR因子，而该因子对DNA修复的贡献微乎其微。

全基因组修复(Global genome repair，GGR)可以扫描和修复大部分 DNA，而不依赖于转录。这两个过程都被认为为核苷酸切除修复（NER）奠定了基础，其中一段受损的 DNA 被剪掉并被准确的副本取代。

现在，3 月 30 日在线发表在《自然》和《自然通讯》杂志上的两项新研究一致认为，基于对活大肠杆菌细胞中 DNA 修复的首创多阶段分析，大多数（如果不是全部）NER 是与 RNA 聚合酶偶联，后者扫描整个细菌遗传密码以查找损伤。

“基于我们的研究结果，我们需要重新思考DNA修复领域的一些基本理论，”资深研究作者Evgeny Nudler博士说，“对这种修复的真正理解是医学的一个基本目标，因为大多数抗生素和化学疗法通过破坏它们的 DNA 来杀死致病细胞，而停止修复的能力将使这些细胞更容易受到现有药物的攻击。”

发现新途径

这组作者说，过去的研究不能完全捕捉细菌中耐氧酶的生物学事实，因为他们使用的实验试图在活细胞外重建复杂的蛋白质相互作用。这导致该领域将一种名为Mfd的蛋白质定义为TCR的核心参与者，即使大多数DNA修复被发现，无论Mfd是否存在，都将继续进行。这表明TCR是一种次要的修复途径。TCR也被认为只发生在高度转录的DNA区域内。很少转录的基因组位置，或假设为“非转录”的基因组部分被认为受 GGR 的影响。

这项新发表在《自然》杂志上的研究使用了一种称为交联质谱(XLMS)的开创性技术来绘制化学连接蛋白之间的距离，从而首次确定大量 NER 和聚合酶复合物在活细胞中组装时的相互作用表面。然后，该团队将光谱数据输入计算机驱动的模拟，最终形成逼真的结构模型。

与传统的理论相反，该研究发现RNA聚合酶作为整个NER复合体组装的支架，并作为DNA损伤的主要传感器。结果表明，主要的NER酶UvrA和UvrB不能单独定位大多数病变，而是通过RNA聚合酶传递给它们。这组作者说，这个基本的TCR过程是独立于Mfd的。

第二项研究,发表在《自然通讯》上，同样是在活细胞中，使用称为 CPD-seq 的高通量测序技术来跟踪暴露于紫外线后 DNA 损伤的外观，以及修复率，分辨率低至单个DNA 代码中的字母（核苷酸）。 CPD-seq 表明，使用抗生素利福平干扰细菌转录会关闭整个细菌基因组的修复。研究结果认为，NER与细菌染色体各处的转录紧密相关，细菌染色体是容纳所有基因的DNA基础设施。

另一个引人注目的发现是，实验表明，面对 DNA 损伤，细菌细胞会抑制蛋白质 Rho 的作用，这是一种告诉 RNA 聚合酶停止读取的全局终止信号。随着停止信号的降低，RNA聚合酶不断地读取，将修复酶传递给整个基因组中遇到的任何DNA损伤。

“鉴于我们的发现，我们推断真核生物，包括人类细胞，也在全身范围内使用RNA聚合酶进行有效的修复，因为这里描述的细菌TCR复合物与人类类似，”Nudler 的博士后学者、自然研究的共同第一作者 Binod Bharati 博士说，“展望未来，我们的团队计划确认人体细胞中存在全球 TCR，如果得到确认，将探索未来是否可以安全地促进修复以对抗衰老疾病。”

Journal References:

1. Martinez, B., Bharati, B.K., Epshtein, V. et al. Pervasive Transcription-coupled DNA repair in E. coli. Nat Commun, 2022 DOI: 10.1038/s41467-022-28871-y

2. Bharati, B.K., Gowder, M., Zheng, F. et al. Crucial role and mechanism of transcription-coupled DNA repair in bacteria. Nature, 2022 DOI: 10.1038/s41586-022-04530-6