Cell：揭示蛋白PARP1形成的超级胶水对DNA损伤的修复至关重要

我们的 DNA 会不断受到损伤和修复。最严重的损伤发生在 DNA 断裂成两段时，即 DNA 双链断裂。它会产生两个松散的DNA末端，如果不加以修复，就会导致细胞死亡。

在一项新的研究中，来自德国德累斯顿工业大学生物技术中心的研究人员如今回答了一个长期存在的问题：是什么让断裂的DNA末端不被分开。他们发现，蛋白PARP1 变成了一种水下超级胶水，并形成了一个特殊的愈合区，从而将松散的 DNA 末端固定在一起，使 DNA 修复得以开始。这一发现揭示了DNA损伤修复的关键步骤，为癌症治疗提供了宝贵的启示。相关研究结果发表在2024年2月15日的Cell期刊上，论文标题为“PARP1-DNA co-condensation drives DNA repair site assembly to prevent disjunction of broken DNA ends”。

论文通讯作者、德累斯顿工业大学生物技术中心研究小组组长Simon Alberti教授解释说，“细胞如何防止断裂的DNA末端分离一直是个谜。我的团队发现，这要归功于一种名为 PARP1 的蛋白，人们早就知道它是检测DNA 损伤的传感蛋白。”

Alberti教授补充说，“单个 PARP1 分子检测到 DNA 双链断裂，并相互连接，形成一种可被视为水下超级胶水的东西，防止DNA的两个末端分离。我们称这种胶水为凝集物，它是一簇紧密相连的蛋白和 DNA 分子，可与细胞的其他部分隔离开来。这种胶水形成了一个特殊的愈合区。它不仅能将DNA的两个末端保持在一起，还能让DNA修复蛋白发挥作用。”

第一反应者和蛋白警戒线

PARP1 就像事故现场的第一反应者。它的任务就是沿着 DNA 进行巡视，不断寻找受损的 DNA。一旦发现DNA双链断裂，它就会发出警报，呼叫DNA修复蛋白来处理DNA损伤。

论文第一作者、Alberti实验室成员Nagaraja Chappidi博士说，“我们可以确定 DNA 损伤修复位点形成的确切分子事件，但 PARP1 的凝集仅仅是个开始。PARP1与DNA粘合在一起后，就会像酶一样活跃起来，并招募一系列下游DNA损伤蛋白。”

PARP1 将 DNA 损伤断裂与细胞核的其他部分隔离开来。可以把它想象成第一反应者确认事故现场并封锁该区域。这样，分子修复人员就能在安全的空间内完成工作，并迅速修复断裂的DNA。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.015

Chappidi博士补充说，“这些修复蛋白之一是蛋白FUS，人们早就知道它会被招募到DNA损伤位点，但它在那里的功能一直难以捉摸。我们能够证实，FUS就像一种润滑剂，可以软化PARP1所形成的超级胶水，使修复酶可以进入并完成它们的工作。”

这是蛋白集体行为产生更高阶功能的一个例子。Alberti团队资深科学家Titus Franzmann博士说，“每种蛋白都各司其职，但它们必须相互协作，才能实现检测和逆转 DNA 损伤的目标。”

从头开始创造DNA断裂

为了确定这一机制，这些作者使用了多种前沿的生化和生物物理方法。Chappidi博士解释说，“我们使用了许多不同的技术，包括单分子成像、光学镊子和定量生物化学。然而，关键的一步是在一种可控的无细胞系统中重现DNA损伤情景。”

在试管中自下而上地再现DNA损伤位点是这项新研究的核心，它使得这些作者得以从机制上深入了解DNA修复的调控过程。Chappidi博士补充说，“由于这是有史以来第一次在细胞外重现如此特殊的DNA损伤和修复场景，我们的论文提供了详细的方案，以便其他人能够利用这一新系统。我们相信，这将成为研究 DNA 损伤的科学界的一大财富。”

对癌症治疗的新认识

这项新研究不仅展示了DNA双链断裂后发生情况的步骤时间表，还为癌症研究界提供了宝贵的见解。

“由于PARP1在DNA损伤修复中的作用，它已经成为获批的癌症疗法的靶点。抑制 PARP1 可以选择性地杀死癌细胞。我们的研究揭示了这类癌症疗法如此成功的分子和物理基础。我们的数据提出了一种模型，在这种模型中，这类癌症疗法会损害PARP1超级胶水，从而使其继续附着在DNA上。”

Alberti教授总结说，“这样，它就会给癌细胞的复制机制制造路障，引发癌细胞自杀。我们需要更多的研究来更详细地证实这一机制。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Nagaraja Chappidi et al. PARP1-DNA co-condensation drives DNA repair site assembly to prevent disjunction of broken DNA ends. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.015.

Making ends meet: Researchers find that a protein superglue is crucial for DNA damage repair
https://phys.org/news/2024-02-protein-superglue-crucial-dna.html