三核苷酸重复序列扩增与收缩的分子机制：MutSβ-MutLy驱动扩展而FAN1介导收缩

《Nature Communications》：Mechanism of trinucleotide repeat expansion by MutSβ-MutLγ and contraction by FAN1

本研究针对三核苷酸重复序列不稳定性引发的亨廷顿病等神经退行性疾病，通过纯化人源蛋白体系揭示了MutSβ（MSH2-MSH3）激活MutLy（MLH1-MLH3）在DNA环对侧链特异性切割并引发Polδ介导的重复序列扩增机制，同时发现FAN1在RFC-PCNA调控下靶向环状链切割并协同Polδ实现重复序列收缩。该研究首次在体外重构了重复序列动态变化的完整分子通路，为靶向治疗提供了新靶点。

　　

在遗传学领域，三核苷酸重复序列的动态变化如同基因组中潜藏的“计时炸弹”，其异常扩增可引发亨廷顿病、脆性X综合征等50余种人类疾病。尤其令人困惑的是，这些重复序列的扩增现象在体细胞（如神经元）中尤为显著，尽管这些细胞已退出细胞分裂周期。长期以来，科学家们发现DNA错配修复（Mismatch Repair, MMR）相关蛋白 paradoxically（矛盾地）参与推动重复序列扩增，而核酸酶FAN1则扮演保护性角色，但其中的分子机制始终笼罩在迷雾中。

为揭开这一谜团，由Issam Senoussi和Valentina Mengoli等研究人员领衔的团队在《Nature Communications》上发表了最新研究。他们通过构建包含（CAG）_n或（T）₄等外凸环（extrahelical loop）的质粒DNA底物，结合重组蛋白纯化技术、Southern印迹分析、GLOE-seq单核苷酸分辨率切割位点测绘、电泳迁移率变动分析（EMSA）及TIDER测序数据分析等核心方法，系统解析了重复序列扩增与收缩的分子路径。

MutSβ-MutLy在PCNA调控下特异性切割环对侧链驱动扩增

研究发现，MutSβ识别DNA外凸环后招募MutLy，后者沿非环状链向5’方向滑动，在距离环状结构特定位置切割DNA。当存在RFC加载的PCNA时，MutLy的切割位点被限制在环状结构附近。这种偏向5’端的切割为Polδ的链置换合成（strand displacement synthesis）提供了起点，以外凸环为模板合成新链，最终导致重复序列扩增。实验显示，该过程在体外仅需MutSβ、MutLy、RFC、PCNA、RPA和Polδ即可完成。

FAN1-RFC-PCNA-Polδ协同介导环状链切除实现收缩

另一方面，FAN1在RFC和PCNA的协同调控下，精准切割环状链3’端下游一位点。RFC直接抑制FAN1的5’→3’外切酶活性，而PCNA增强其内切酶功能。随后Polδ的3’→5’外切酶活性切除环状结构，并由Polδ重新合成DNA，实现重复序列收缩。值得注意的是，FAN1还可通过其MLH1结合域（MIP-MIM motif）直接破坏MutSβ-MutLy相互作用，从结构上抑制病理性的切割活动。

结论与意义

本研究首次在体外重构了三核苷酸重复序列不稳定性调控的完整分子通路：一方面，MutSβ-MutLy-PCNA-Polδ通路介导重复序列扩增，揭示了其在非分裂细胞中引发疾病的新机制；另一方面，FAN1通过酶活性和结构性双重作用，协同Polδ实现重复序列收缩并抑制扩增。这些发现不仅解释了大量遗传学研究中观察到的修饰因子效应，更为亨廷顿病等重复序列疾病的治疗提供了可干预的靶点，例如通过调控FAN1活性或阻断MutLy切割位点来维持基因组稳定性。