Cell：揭示RNA聚合酶驱动核糖核苷酸切除修复机制

在一项新的研究中，来自美国纽约大学朗格尼健康中心的研究人员描述了一种DNA修复途径背后的分子机制，该修复途径能够对抗将某种类型的核糖核苷酸错误地整入遗传密码。这种错误在细菌和其他有机体的遗传代码复制过程中经常发生。相关研究结果于2023年5月16日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“RNA polymerase drives ribonucleotide excision DNA repair in E. coli”。

鉴于核糖核苷酸的错误整入会导致有害的DNA代码变化（突变）和DNA断裂，所有有机体都进化出了一种叫做核糖核苷酸切除修复（ribonucleotide excision repair, RER）的DNA修复途径，可以快速修复此类错误。

去年，由纽约大学朗格尼健康中心生物化学与分子药理学系教授Evgeny Nudler博士领导的一个研究团队发表了两项关于大肠杆菌细胞中DNA修复的分析（Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04530-6; Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-28871-y，详见生物谷新闻报道：挑战常规！Nature及其子刊首次揭示转录偶联修复在细菌DNA损伤修复中起着至关重要的作用）。他们发现某些类型的DNA损伤（较大的损伤，比如由紫外线照射引起的损伤）在大多数情形下可以修复，因为受损的遗传代码部分首先被一种叫做RNA聚合酶的蛋白机器识别。RNA聚合酶沿着DNA链运行，在将遗传代码转录成RNA分子时，读取DNA中的遗传代码，然后指导蛋白的构建。

Nudler及其同事们已发现，在这种转录过程中，RNA聚合酶也会发现DNA损伤，然后作为一个平台，组装一种名为核苷酸切除修复（NER）复合物的DNA修复机器。接着，NER复合物将发现的有问题的DNA切除，并用一个准确的拷贝取代它。如果没有RNA聚合酶的这种作用，在活的细菌中很少发生NER。

如今，这项新的研究提供了第一个证据，表明像在NER途径中一样，RER与转录紧密相连。这些作者发现证据表明，参与RER的关键酶RNaseHII也与RNA聚合酶合作，因为它在活的细菌细胞的DNA链中扫描错误整入的核糖核苷酸。

Nudler说，“我们的结果继续激励人们重新思考DNA修复领域的某些基本原则。在未来，我们的团队计划研究RNA聚合酶是否扫描DNA中出现的一系列问题，并在全基因组范围内触发修复，不仅在细菌中是如此，而且在人类细胞中也是如此。”

前沿技术

核糖核苷酸（RNA的组成成分）和脱氧核糖核苷酸（DNA的组成成分）是相关的化合物。这些作者表示，当细菌细胞复制和构建DNA链时，它们经常错误地将核糖核苷酸整入DNA链，以取代脱氧核糖核苷酸，因为它们只有一个氧原子的区别。在细菌细胞中，已知DNA聚合酶III每次复制细胞的遗传物质时都会犯大约2000个这样的错误。为了保持基因组的完整性，大部分错误整入的核糖核苷酸被RER途径去除，但一个关键问题是RNaseHII如何在完整的细胞DNA代码“海洋”中如此迅速地找到相对罕见的核糖核苷酸。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.029。

正如他们在2022年的那两项研究中所做的那样，这些作者使用定量质谱法和体内蛋白-蛋白交联来绘制化学连接在一起的蛋白之间的距离，因此确定了RNaseHII和RNA聚合酶的关键表面，因为它们在活的细菌细胞中相互作用。通过这种方式，他们确定大多数RNaseHII分子与RNA聚合酶偶联在一起。

此外，他们使用低温电镜（CryoEM）捕捉到了RNaseHII与RNA聚合酶结合在一起时的高分辨率结构，以揭示确定RER复合物的蛋白-蛋白相互作用。此外，结构引导的遗传实验削弱了RNA聚合酶/RNaseHII的相互作用，从而损害了RER。

论文第一作者、Nudler实验室博士后学者Zhitai Hao说，“这项新的研究支持一种模型，即RNaseHII在沿着DNA移动时骑在RNA聚合酶上扫描DNA上错误整入的核糖核苷酸。这项研究对于我们对DNA修复过程的基本了解至关重要，并具有深远的临床意义。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Zhitai Hao et al. RNA Polymerase Drives Ribonucleotide Excision DNA Repair in E. coli. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.029.