《DNA Repair》：Archaeal HhH-GPD proteins expand the functional repertoire of DNA glycosylases in base excision repair
编辑推荐：
摘要基因组DNA在所有三域生命中都持续遭受氧化、烷基化和脱氨损伤，威胁基因组的稳定性。碱基切除修复（BER）是消除小型非体积性碱基损伤的主要保守途径，由底物特异性DNA糖基化酶启动。螺旋-发夹-螺旋-甘氨酸/脯氨酸/天冬氨酸（HhH-GPD）超家族包含古代、功能多样的糖基化酶
摘要
基因组DNA在所有三域生命中都持续遭受氧化、烷基化和脱氨损伤，威胁基因组的稳定性。碱基切除修复（BER）是消除小型非体积性碱基损伤的主要保守途径，由底物特异性DNA糖基化酶启动。螺旋-发夹-螺旋-甘氨酸/脯氨酸/天冬氨酸（HhH-GPD）超家族包含古代、功能多样的糖基化酶，广泛存在于细菌、真核生物和古菌中。以往跨界的综述仅概述了HhH-GPD的一般特征，但尚无专门工作系统地编目和系统发育分析古菌HhH-GPD同源物。本综述专门聚焦于古菌HhH-GPD蛋白，涵盖四个经典亚家族（EndoIII、OGG2/AGOG、AlkA、MIG）和两种分歧的特异性非典型酶：一种广古菌HhH-GPD折叠尿嘧啶DNA糖基化酶和一种具有非经典活性位点的泉古菌烷基化特异性HhH-GPD。整合AlphaFold3预测和已解析的晶体/NMR结构，解构了保守核心折叠和谱系特异性结构适应。进一步分析Asgard古菌HhH-GPD同源物追溯了真核生物BER的进化起源。与早期跨域综述不同，本综述专门关注古菌HhH-GPD蛋白，强调独特的结构特征、扩展的非经典同源物和催化多样性。阐述了未解决的研究空白和分层未来途径，同时提供了古菌HhH-GPD系统独有的机制和进化见解。
引言
基因组DNA遭受持续的氧化、烷基化和脱氨损伤，对细菌、古菌和真核生物中的基因组完整性构成恒定威胁。碱基切除修复（BER）是消除小型非体积性碱基损伤的核心保守细胞途径[1]，整个修复级联由DNA糖基化酶触发，后者选择性地识别和切除化学修饰或错配的核苷酸[2]。螺旋-发夹-螺旋-甘氨酸/脯氨酸/天冬氨酸（HhH-GPD）超家族是最古老且功能多样的DNA糖基化酶组之一，具有广泛的系统发育分布，涵盖所有三个生命域[3]、[4]。两项具有里程碑意义的全面综述此前总结了整个HhH-GPD超家族的一般特征：Denver等人（2003年）对所有生物中的HhH-GPD糖基化酶进行了进化分析[4]，而Trasvi?a-Arenas等人（2021年）系统地剖析了细菌和真核生物中HhH-GPD酶的结构和催化机制[3]。然而，这两项综述仅简要提及了古菌HhH-GPD同源物，未能整合过去二十年来迅速扩展的古菌生物化学和结构数据。这产生了对古菌专门综述的迫切需求，以填补研究空白。
HhH-GPD超家族包含多个明确定义的亚家族，包括MutY/MIG、EndoIII、OGG1/OGG2/AGOG、MagI/AlkA/MagIII、MBD4和植物DEMETER糖基化酶[3]、[4]。经典HhH-GPD酶修复氧化嘌呤/嘧啶（OGG1/OGG2/AGOG、EndoIII、MutY）、烷基化嘌呤（MagI、AlkA、MagIII）、含尿嘧啶DNA（MBD4、MIG）和碱基错配（MutY、MIG）[3]、[4]。进化重塑了HhH-GPD蛋白以产生分歧的底物选择性，一些成员获得了超越BER的次要功能，如表观遗传调控和细胞周期监测[5]、[6]。
古菌定殖于极端生态位（高温、高盐、强辐射）和中温生境（宿主微生物组、土壤、淡水）。系统发育无法确定嗜极端古菌是源于中温祖先还是相反。大多数古菌茁壮成长的高压环境条件推动了鲁棒且功能专门的DNA修复机器的进化塑造[7]。二十多年来，广泛的生物化学和结构研究表征了古菌HhH-GPDs，这些酶进化出专门的催化和结构特征，以在原生压力下维持基因组稳定性。
四个经典HhH-GPD亚家族（EndoIII、OGG2/AGOG、AlkA、MIG）已在嗜热和超嗜热古菌中获得生化验证，共享保守催化核心同时具有谱系特异性功能差异。两种生化确认的特异性非典型酶进一步扩展了超家族的功能多样性。首先，2003年鉴定的Methanocal.dococcus jannaschii UDG（Mja-UDG）折叠为HhH-GPD而非经典UDG；参考文献[8]中矛盾的同源物活性数据在后文中予以澄清。其次，最近发现的Saccharolobus islandicus Sis-HhH-GPD缺乏标准催化天冬氨酸并形成专门修复烷基化损伤的独特支系[9]。作为真核生物最近的原核生物亲缘Asgard古菌编码未表征的HhH-GPD同源物，阐明真核生物BER起源。总体而言，古菌HhH-GPDs比早期跨域综述所认可的结构和功能灵活性更大。
本综述使用自定义结构建模、序列比对和系统发育学系统总结古菌HhH-GPDs。它比较了经典和非典型亚家族的结构、催化和生理特征，整合AlphaFold3和实验结构，并分析未表征的Asgard同源物。一张综合表格交叉引用所有酶与文本和结构数据。该工作阐述了古菌HhH-GPDs未解决的问题和针对性研究方向，突出了古菌模型的独家见解，并将古菌修复途径与人类BER相关疾病联系起来。与以往关于HhH-GPD糖基化酶的跨域综述不同，它强调古菌特异性创新、新发现的非典型酶、原创结构比较以及Asgard古菌与真核生物BER之间的进化联系。
章节片段
多序列比对
古菌HhH-GPD蛋白的氨基酸序列从NCBI数据库检索。使用ClustalW 2.1版本在默认间隙罚分参数下进行多序列比对。提取对应HhH基序和GPD催化环的保守LOGO片段用于进一步分析，关键催化残基（Lys、Asp、Glu、Tyr、Trp）清晰标注。来自部分古菌HhH-GPD同源物的配位[4Fe–4S]簇的保守半胱氨酸残基也进行了分析。
保守结构元件
HhH-GPD折叠作为所有三个生命域中DNA糖基化酶的保守催化核心[4]。其紧凑双域结构结合了刚性支架以实现稳定DNA结合和柔性环以检测、翻转和切除受损碱基。尽管核心普遍保守，古菌特异性插入和活性位点突变驱动底物差异化和压力适应。
经典HhH-GPDs依赖两个固定结构单元[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。HhH
古菌HhH-GPD超家族蛋白的系统发育关系
所有古菌HhH-GPDs共享核心机制，如芳香族介导的碱基翻转、HhH基序小沟结合、双重催化模式和热稳定支架。亚家族特异性残基改变保守催化偶联体：MIG使用酪氨酸，而AlkA采用色氨酸。与经典同源物不同，特异性非典型古菌HhH-GPDs采用基于谷氨酸的活性位点并识别氧化、烷基化和脱氨损伤以在原生压力下维持基因组完整性。
最大似然法
EndoIII
EndoIII是一个双功能HhH-GPD亚家族，已在六个古菌物种中鉴定，专门用于切除氧化嘧啶，包括胸腺嘧啶甘油醇（Tg）。所有同源物保留经典HhH-GPD折叠、[4Fe–4S]簇环和紧凑热稳定核心架构，具有为平面氧化嘧啶底物优化的疏水口袋。催化依赖于保守的Lys-Asp希夫碱偶联体，赋予双糖基化酶/AP内切酶活性，广泛分布于
Asgard古菌中的HhH-GPD蛋白
Asgard古菌是真核生物最近的原核生物亲缘，因此其修复蛋白阐明真核生物BER进化[55]、[56]、[57]。如图9A所示，Heimdallarchaeia、Lokiarchaeia和Promethearchaeia的基因组携带多个HhH-GPD同源物，形成一个独立单系支系，与其他古菌、细菌和人类分开[58]、[59]、[60]。
所有Asgard HhH-GPDs具有保守的HhH基序、GPD催化环和用于[4Fe–4S]簇结合的固定半胱氨酸间距（
未解决的关键问题
关于古菌HhH-GPDs仍存在重大知识空白。缺乏描述氧化、烷基化、热和辐射损伤下压力诱导表达变化的转录组和蛋白质组数据，控制古菌HhH-GPD表达的上游信号通路未知。HhH-GPDs与下游BER因子（AP内切酶、聚合酶、连接酶）之间的相互作用仅在少数古菌中表征，修复复合物组装的动态仍不清楚。
结论
古菌HhH-GPD糖基化酶构成一个功能多样的修复超家族，保护中温和嗜极端古菌的基因组稳定性。经典亚家族（EndoIII、OGG2/AGOG、AlkA、MIG）消除氧化、烷基化和脱氨损伤并保留祖先的Lys/Asp催化偶联体。两种古菌特异性非典型同源物，Mja-UDG（适应尿嘧啶切除的HhH-GPD支架）和Sis-HhH-GPD（具有重塑的谷氨酸依赖烷基化特异性活性位点
资助
张立魁博士实验室的研究由扬州大学高层次人才培养计划、扬州大学中青年学术带头人资助以及江苏省大学生实践创新训练计划（编号202511117059）资助。
CRediT作者贡献声明
张俊豪：写作 – 初稿，可视化。龚勇：写作 – 审阅与编辑。张博涛：验证。张立魁：写作 – 初稿，资金获取，概念化。
张俊豪|张博涛|龚勇|张立魁
