Cell最新发现：是什么使断裂的DNA末端不被分离？

我们的DNA经历了不断的损伤和修复。最严重的损伤发生在DNA断裂成两段时，称为双链DNA断裂。它会产生两个松散的DNA末端，如果不固定，就会导致细胞死亡。来自德累斯顿工业大学生物技术中心(BIOTEC)的研究人员现在已经回答了一个长期存在的问题：是什么使断裂的DNA末端不被分离。

　　

研究小组发现，蛋白质PARP1变成了一种水下超级胶水，并创造了一个特殊的愈合区，将松散的DNA末端固定在一起，让DNA修复启动。这一发现揭示了DNA损伤修复的关键一步，为癌症治疗提供了有价值的见解。研究结果发表在Cell杂志上．

我们的身体经常暴露在损害我们DNA的因素中，比如紫外线、各种化学物质、自由基等。最严重的DNA损伤类型是DNA断裂成两段，即所谓的双链DNA断裂。我们的细胞必须确保断裂的链不会分离，并能重新连接。

“细胞如何阻止断裂的DNA末端分离一直是个谜。我的团队发现，这要归功于一种名为PARP1的蛋白质，它长期以来一直被认为是DNA损伤的传感器，”Alberti教授解释说。

“单个PARP1分子检测到双链DNA断裂，并相互连接，形成一种可以被视为水下超级胶水的东西，可以防止两端分离。我们称这种胶为condensate，它是一群紧密相连的蛋白质和DNA分子，与细胞的其他部分分离。这种胶水形成了一个特殊的愈合区。它不仅使DNA末端保持在一起，而且让DNA修复蛋白发挥作用”。

第一反应和蛋白警戒线

PARP1就像事故现场的第一反应者。它的工作是沿着DNA行进并巡逻，不断寻找受损的DNA。一旦定位到双链断裂，它就会发出警报，呼叫DNA修复蛋白来处理损伤。

“我们可以确定DNA损伤修复位点形成的确切分子事件，但PARP1凝聚只是一个开始。在它与DNA粘合在一起后，PARP1作为一种酶变得活跃，并招募了一系列下游DNA损伤蛋白，”Nagaraja Chappidi博士解释说。

PARP1将DNA损伤断裂与细胞核环境的其余部分隔离开来。人们可以把它想象成第一个确定事故现场并封锁该地区的响应者。这让分子修复者在一个安全的空间里完成他们的工作，并迅速修复损坏的DNA。

“其中一种修复蛋白是蛋白质FUS，人们早就知道它会被招募到DNA损伤部位，但它在那里的功能仍然难以捉摸。我们可以证明FUS就像润滑剂一样，可以软化胶水，这样修复酶就可以进入并发挥作用，”Chappidi博士补充道。

“这是蛋白质集体行为的一个例子。每一种蛋白质都有自己的工作，但它们必须合作才能实现检测和逆转DNA损伤的目标”。

从零开始创造DNA断裂

为了确定其机制，该小组使用了多种高端生化和生物物理方法。他们与来自德累斯顿工业大学、马克斯普朗克分子和细胞生物学研究所、海因里希海涅大学和保加利亚科学院分子生物学研究所的科学家合作。

Chappidi博士解释说:“我们使用了许多不同的技术，包括单分子成像、光学镊子和定量生物化学。然而，关键的一步是在一个可控的无细胞系统中重现DNA损伤场景。”

在试管中自下而上地重建DNA损伤位点是这项研究的核心，并使研究小组对DNA修复的调节机制有了独特的见解。

“由于这是有史以来第一次在细胞外重建如此特定的DNA损伤和修复场景，我们的论文提供了一个详细的方案，以便其他小组可以利用这个新系统。我们相信它将成为研究DNA损伤的科学界的一笔巨大财富。”

癌症治疗的新认识

这项新研究不仅展示了双链DNA断裂后的分步时间表，还为癌症研究界提供了有价值的见解。

“由于其在DNA损伤修复中的作用，PARP1已经成为批准的癌症治疗的目标。抑制PARP1选择性地杀死癌细胞。我们的工作揭示了这些癌症治疗如此成功的分子和物理基础。我们的数据表明，在一个模型中，癌症治疗会损害PARP1超级胶，使其仍然粘在DNA上。通过这种方式，它将为癌细胞的复制机制制造障碍，引发它们自杀。我们需要更多的研究来更详细地证实这一机制，”Alberti教授总结道。