XPF-ERCC1靶向SLX4依赖性DNA修复通路的分子基础解析

《Nature Communications》：Molecular basis of XPF-ERCC1 targeting to SLX4-dependent DNA repair pathways

本研究针对XPF-ERCC1核酸酶如何被精准招募至SLX4相关DNA修复通路这一关键科学问题，通过解析XPF-ERCC1与SLX4/SLX4IP复合物的结构，鉴定了相互作用的关键残基。细胞实验证实，突变这些界面残基会破坏蛋白互作并导致顺铂敏感性增加。该成果揭示了SMX复合体组装的核心分子机制，为理解基因组稳定性维持及癌症治疗提供了重要结构基础。

　　

生命的延续依赖于遗传信息（DNA）的准确传递和完整性维护。然而，DNA在日常生命活动中不断受到来自体内外各种因素的攻击，如紫外线、化学物质（如顺铂）等，会导致DNA损伤。如果这些损伤不能被及时有效地修复，就可能引发基因突变，进而导致细胞死亡、衰老乃至癌症的发生。因此，细胞进化出了一套精密的DNA损伤修复系统，如同城市的维修队，时刻巡查并修复着基因组的“道路”。其中，XPF-ERCC1（Xeroderma pigmentosum complementation group F – Excision Repair Cross-Complementation group 1）是一个关键的多功能DNA核酸内切酶复合物，它在核苷酸切除修复（NER）、链间交联修复以及DNA复制叉稳定等多个重要通路中扮演着“分子剪刀”的角色，负责切割受损的DNA链。

XPF-ERCC1的功能发挥并非单打独斗，它需要与不同的伙伴蛋白合作，被精准地招募到特定的损伤位点。其中一个重要的“对接平台”是由SLX4蛋白及其相互作用蛋白SLX4IP（SLX4 Interacting Protein）构成的复合体。这个平台能召集包括XPF-ERCC1在内的多种核酸酶，形成强大的修复机器，例如SMX（SLX4-MUS81- XPF）三核酸内切酶复合物。尽管我们知道XPF-ERCC1与SLX4/SLX4IP之间存在相互作用，但对于它们之间是如何“握手”的——即相互识别的精确分子细节，以及这种特异性识别如何指导XPF-ERCC1参与特定修复通路（如对抗顺铂引起的DNA损伤），长期以来缺乏清晰的结构证据。这就好比我们知道维修队（XPF-ERCC1）会去一个枢纽站（SLX4/SLX4IP）报到，但不清楚他们使用的通行证具体长什么样，以及如何验明正身。解答这个问题，对于深入理解基因组稳定性维持的机制，以及开发针对DNA修复通路的相关疾病（如癌症）的治疗策略，具有至关重要的意义。

为了揭开这一谜团，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项研究，他们成功地解析了人源XPF-ERCC1蛋白与SLX4、SLX4IP复合物的三维结构，精确描绘了它们之间的相互作用界面。

本研究主要运用了以下几种关键技术方法：1. 蛋白质晶体学（X-ray crystallography），用于解析XPF-ERCC1与SLX4、SLX4IP片段复合物的高分辨率三维结构；2. 点突变（Site-directed mutagenesis）和体外 Pull-down 实验，用于验证结构分析所预测的蛋白质相互作用关键残基；3. 细胞生物学实验，在人类细胞系中通过引入界面点突变，利用免疫共沉淀（Co-Immunoprecipitation, Co-IP）等技术评估突变对蛋白质相互作用的影响；4. 细胞存活率测定（Cell viability assay），用于评估破坏特定蛋白相互作用后细胞对DNA损伤剂顺铂（cis-platin）的敏感性变化。

XPF-ERCC1与SLX4和SLX4IP相互作用的结构基础

研究人员首先解析了XPF-ERCC1分别与SLX4和SLX4IP蛋白片段形成的复合物晶体结构。结构分析清晰地揭示了XPF-ERCC1复合物中与SLX4和SLX4IP直接结合的具体区域和关键氨基酸残基。通过这些结构信息，研究人员能够精确地指出哪些残基对维持这些蛋白质之间的“握手”至关重要。这好比是获得了一张高清晰度的分子“握手”照片，清楚地显示了双方接触的手指（关键残基）位置。

关键相互作用界面的功能验证

基于结构信息，研究人员设计了针对这些关键相互作用界面的点突变。随后，他们在人类细胞中进行了功能验证。结果表明，当这些被预测为关键的残基发生突变时，XPF-ERCC1与SLX4或SLX4IP之间的相互作用显著减弱甚至消失。这证实了结构分析所预测的相互作用界面的正确性，说明这些界面在活细胞中确实负责介导蛋白质复合物的形成。

XPF-SLX4IP相互作用破坏导致顺铂敏感性

一个重要的发现是，特异性破坏XPF-ERCC1与SLX4IP之间的相互作用，会导致细胞对化疗药物顺铂的敏感性增加。顺铂是一种能引起DNA链间交联的常用抗癌药物，其作用效果部分依赖于有效的DNA修复。该结果提示，XPF-ERCC1通过SLX4IP被招募到SLX4相关修复复合物这一过程，对于细胞应对顺铂引起的DNA损伤至关重要。如果这个招募通路受阻，细胞修复损伤的能力下降，从而对药物更敏感。

DNA结合状态下XPF-ERCC1-SLX4IP-SLX4^330-555复合物的结构

更进一步，研究人员成功解析了更为复杂的、包含XPF-ERCC1、SLX4IP以及SLX4蛋白一部分（第330-555位氨基酸，表示为SLX4^330-555）的复合物结构，并且在该复合物的XPF-ERCC1活性中心位置观察到了结合的DNA分子。这一结构提供了XPF-ERCC1在可能的工作状态下，如何与其招募平台组件组装在一起的分子图像。它不仅展示了蛋白质之间的相互作用，还暗示了DNA底物是如何被呈递到这个核酸酶复合物的催化中心的。

完成SMX复合物组装所需分子相互作用的结构表征

本研究解析的复合物结构，与之前已知的SLX4与其他核酸酶（如MUS81）相互作用的结构信息相结合，最终完成了对SMX三核酸内切酶复合物组装过程中所有核心分子相互作用的结构表征。这意味着我们现在对于这个重要的DNA修复“机器”是如何从各个部件组装起来有了一个全面的结构层面的认识。

综上所述，这项研究通过高分辨率的结构生物学方法结合严谨的细胞功能实验，阐明了XPF-ERCC1被特异性招募到SLX4依赖性DNA修复通路中的精确分子机制。研究不仅鉴定出了负责蛋白质相互作用的关键残基，并证实了这些相互作用在细胞应对DNA损伤剂中的生物学功能，特别是揭示了XPF-SLX4IP界面在介导顺铂耐药性中的作用。最终，该工作填补了SMX复合物组装过程中的关键结构空白，为完整理解这一重要修复复合物的功能调控奠定了坚实基础。这些发现深化了我们对基因组稳定性维持机制的认识，也可能为未来开发通过调控特定DNA修复通路来增强化疗效果或治疗相关遗传疾病的策略提供了新的靶点和思路。