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在 DNA 修复研究领域，MUTYH 作为重要的 DNA 糖基化酶，其 [4Fe-4S] 辅因子作用不明。研究人员对 MUTYH 进行结构解析及癌症相关变体功能分析。结果发现其 [4Fe-4S] 簇与活性位点存在变构网络，该发现为理解 DNA 修复机制及癌症病因提供关键线索。
在生命的微观世界里，DNA 时刻都面临着各种威胁，其中氧化 DNA 损伤就是一个极为棘手的问题。8 - 氧代 - 7,8 - 二氢鸟嘌呤（OG）作为一种常见的氧化 DNA 损伤产物，它就像一个 “伪装者”，在 DNA 复制过程中极易伪装成胸腺嘧啶，从而导致 GC→TA 颠换突变。而 MUTYH（mutY homolog）蛋白作为细胞内的 “DNA 修复卫士”，能够启动碱基切除修复（Base Excision Repair，BER）过程，去除错配的腺嘌呤，修复 OG:A 损伤，维持基因组的稳定性。然而，MUTYH 中的 [4Fe-4S] 簇辅因子在 DNA 修复中的具体作用却一直像一团迷雾，让科研人员难以捉摸。此外，大量与 MUTYH 相关的癌症突变都集中在其金属辅因子附近，这些突变对 MUTYH 的功能会产生怎样的影响，也是亟待解决的问题。为了揭开这些谜团，来自美国加利福尼亚大学戴维斯分校、德克萨斯大学达拉斯分校等机构的研究人员展开了深入研究。最终，他们取得了重要成果，相关论文发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了晶体学、分子动力学模拟等关键技术方法。在晶体学方面，通过优化条件获得了高分辨率的人 MUTYH 与 DNA 复合物晶体结构；分子动力学模拟则用于探究 [4Fe-4S] 簇与活性位点之间的结构和动态关系。
下面来详细看看研究结果：
- 晶体结构解析：研究人员成功获得人 MUTYH 与过渡态类似物结合的晶体结构（MUTYH-TSAC）。该结构显示，MUTYH 与 DNA 的结合方式与其他 MutY 同源物相似，通过两个功能域与 DNA 相互作用。但在结晶过程中，发现连接 C 末端 OG 识别域和 N 末端催化域的 “Zn linchpin motif” 区域的 Zn 在结晶过程中丢失，不过附近癌症相关变体（CAVs）的位置通过电子密度清晰界定，这表明该区域在酶功能中具有重要作用。
- CAVs 功能分析：对 12 个与 [4Fe-4S] 簇相关的 CAVs 进行功能分析，发现大多数 CAVs 会导致 [4Fe-4S] 簇和 Zn 辅因子丢失，进而丧失腺嘌呤糖基化酶活性和损伤 DNA 识别能力。然而，R241Q 和 N238S 这两个 CAVs 却很特殊，它们虽然保留了金属辅因子，也能紧密结合底物 DNA，但却完全没有酶活性。
- 结构与功能关系：深入研究发现，R241Q 和 N238S 破坏了一个关键的氢键网络，该网络连接着 [4Fe-4S] 簇与催化天冬氨酸（Asp236）。这个氢键网络由 [4Fe-4S] 簇配体半胱氨酸（Cys290）、精氨酸（Arg241）、天冬酰胺（Asn238）和催化残基 Asp236 组成，它在维持 [4Fe-4S] 簇与活性位点之间的结构通讯中起着关键作用，影响着催化 Asp236 的正确定位和质子化状态，从而改变催化效率。
- 动力学与结合特性研究：通过对 V246F 和 R309C 这两个变体的详细腺嘌呤糖基化酶和电泳迁移率变动分析（EMSA），发现它们的碱基切除和产物释放速率常数与野生型（WT）相似，但 R309C 在多周转实验中活性分数降低，对底物 DNA 的识别能力也较差，这表明其与损伤底物的结合能力受损。
- 结构影响机制：对 R241Q 变体对应的嗜热脂肪芽孢杆菌 MutY（GsMutY）的 R149Q 变体进行晶体结构分析，发现该突变导致 [4Fe-4S] 簇出现交替构象，同时有钙离子侵入。这进一步证实了 [4Fe-4S] 簇与活性位点之间的变构网络对酶功能的重要性。
- 分子动力学模拟验证：分子动力学模拟结果表明，WT、R241Q 和 N238S 突变体的结构和动力学存在差异。突变会改变系统的动力学，使系统从呼吸样运动转变为更刚性的摇摆运动。能量分解分析（EDA）显示，突变会降低蛋白质系统的稳定性，破坏 [4Fe-4S] 簇与活性位点之间的相互作用网络。
研究结论和讨论部分表明，该研究首次报道了人 MUTYH 过渡态类似物复合物结构，明确了 12 个 CAVs 的结构和功能后果，这是对 MUTYH 这种关键碱基切除 DNA 修复酶理解的重大突破。研究揭示了 [4Fe-4S] 簇与活性位点之间通过氢键网络进行变构调控的机制，这种机制在进化上高度保守，存在于多种含 [4Fe-4S] 簇的 Helix-hairpin-Helix（HhH）DNA 糖基化酶中。此外，研究还发现 [4Fe-4S] 簇的氧化还原状态可能影响碱基切除催化过程，CAVs 对 [4Fe-4S] 簇稳定性的影响可能反映了其氧化还原电位的改变。该研究为理解癌症病因提供了原子水平的信息，揭示了 [4Fe-4S] 簇在 HhH DNA 糖基化酶中的变构作用，以及其在 DNA 修复中的潜在调控作用。同时，也为开发针对 MUTYH 的小分子靶向药物提供了理论依据，有望为癌症治疗开辟新的途径。
