PCNA激活FAN1核酸酶的结构与分子机制解析：揭示DNA修复中亨廷顿病早发的关键分子基础

为解决FAN1基因突变如何导致亨廷顿病(HD)早发这一科学难题，研究人员通过冷冻电镜(cryo-EM)和生物化学手段，首次解析了FAN1-PCNA-DNA三元复合物的高分辨率结构，发现Arg507His突变通过破坏FAN1与PCNA的相互作用界面，显著削弱PCNA对FAN1核酸酶活性的激活能力，从而揭示了该突变加速HD发病的分子机制，为理解DNA重复序列稳定性维持提供了新视角。

　　

DNA修复的守护者FAN1为何失效？
在基因组稳定性维持的战场上，FAN1核酸酶如同一位精准的"分子剪刀"，专门负责清除DNA重复序列中因链滑移形成的突出结构(extrahelical extrusions)。然而，当FAN1基因发生Arg507His突变时，这种保护机制就会崩溃——携带该突变的亨廷顿病患者发病时间平均提前5.2年。这个位于非催化结构域的突变为何有如此"致命"影响？这个谜团困扰了科学界多年。

来自国外研究机构的F. Li、A.S. Phadte等研究者通过冷冻电镜技术，首次捕捉到FAN1与PCNA（增殖细胞核抗原）在DNA损伤位点形成的三元复合物精细结构。研究发现，FAN1通过独特的"钳状结构"（pincer architecture）与PCNA结合：内颚环（inner mandible loop, aa 482-492）和外颚环（outer mandible loop, aa 505-519）分别咬合在PCNA的两个疏水口袋上。而Arg507这个关键残基就像"分子铆钉"，通过盐桥和氢键牢牢固定这个界面。当Arg突变为His时，肽链主链发生6.5 ?位移，导致PCNA激活信号传递中断。

技术方法精要
研究采用冷冻电镜解析了FAN1-PCNA-DNA复合物的三种构象状态（分辨率3.4-5.9 ?），结合体外生化实验验证突变体功能。通过RFC加载PCNA到环形DNA模拟生理条件，采用放射性标记和Southern blot定量分析核酸酶活性，并开发新型生物素化DNA pulldown技术检测复合物稳定性。

结构揭秘：PCNA如何激活FAN1
在"结果"部分，研究者通过多角度论证揭示了机制：

1. 冷冻电镜结构：三类构象代表FAN1-PCNA-DNA复合物的动态过程：从DNA扫描（class 3）、损伤识别（class 2）到催化准备（class 1）。在最高分辨率（3.8 ?）的class 1结构中，可见(CAG)₂突出使DNA产生78°弯曲，这种天然构象被FAN1的SAP结构域识别。
2. 分子互作网络：Arg507与PCNA的Asp232形成盐桥（距离10 ?），还与Pro253形成氢键。R507H突变使该距离增至16.5 ?，导致结合能降低（界面面积从775 ?²减至650 ?²）。
3. 变构效应：突变引发DNA在TPR结构域方向的位移，使催化口袋无法正确定位切割位点。

功能验证：突变如何导致酶活丧失
生化实验显示：

• 在生理盐浓度（125 mM KCl）下，野生型FAN1需PCNA激活切割活性（提高8倍），而R507H突变体几乎无响应。
• 环形DNA实验中，RFC加载的PCNA能显著增强野生型对(CAG)₂的切割（主要产生18 nt产物），但突变体活性不足20%。
• 非经典PIP盒（含Glu506-Arg507-Ser508-Val509）的4A突变体完全丧失PCNA响应性，证实该区域为功能核心。

科学意义与展望
这项发表于《Nature Communications》的研究首次阐明：

1. 疾病修饰机制：解释了为何FAN1非催化区的突变会通过破坏PCNA偶联导致HD早发，为基因诊断提供分子标记。
2. 修复新范式：提出PCNA通过"齿轮扩散"（cogwheel diffusion）机制引导FAN1沿DNA螺旋移动，实现链特异性切割。
3. 治疗潜力：针对PCNA-FAN1界面的小分子可能稳定该复合物，延缓神经退行性病变进程。

研究还暗示这种"钳状结合"模式可能普遍存在于其他PCNA伙伴蛋白中，为DNA修复领域开辟了新研究方向。未来工作将探索如何利用这一机制干预其他重复扩展疾病（如脆性X综合征），让"分子剪刀"重新守护基因组稳定。