Nature：揭示蛋白XPC、TFIIH和XPA在DNA切除修复中识别DNA损伤机制

我们的基因组DNA不断被内源性因素（如活性氧）和环境因素（如紫外线、辐射和化学物）所破坏。未能修复受损的DNA可能诱发突变和细胞死亡，最终导致癌症和其他疾病的发生。为了防止这种情况，我们的细胞配备了多种防御系统，旨在寻找和修复受损的DNA。

核苷酸切除修复（nucleotide excision repair, NER）是一种修复由紫外线和化学致癌物引起的各种DNA损伤的重要机制。许多被诊断为着色性干皮病（xeroderma pigmentosum, XP）的患者在编码参与NER机制的蛋白的基因之一中存在突变。众所周知，这些患者对紫外线引起的皮肤癌的高易感性是由于NER功能的缺乏。这也告诉我们，NER是对癌症的一种防御。

NER的第一步涉及XPC蛋白，它是多种XP致病性基因产物之一，它作为一种“传感蛋白”起作用，用于确定DNA结构中的异常所在的位置。XPC有潜力处理各种各样的DNA损伤，同时它也能结合到没有任何损伤的DNA位点，比如碱基错配。由于在这种不适当的位点进行不必要的修复反应可能会增加不良突变的风险，因此必须验证是否有任何必须修复的损伤。尽管以前已证实基础转录因子TFIIH和XPA蛋白在这样的损伤验证步骤中发挥了作用，但到目前为止，这种详细机制仍不清楚。

根据NER过程中已知的反应步骤，来自美国国家糖尿病、消化及肾病研究所以及日本神户大学等研究机构的研究人员在一项新的研究中制备了一系列含有受损DNA的依次由XPC、TFIIH和XPA结合的复合物，然后通过低温电镜详细分析了它们的分子结构。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Lesion recognition by XPC, TFIIH and XPA in DNA excision repair”。

TFIIH是一种由七个亚基（包括XPB和XPD蛋白）组成的大型蛋白复合物，它在NER和转录（基因表达）中都起着关键作用。它通常采用U形的“马蹄形”结构，XPB和XPD蛋白位于它的两个开放臂的顶端。

这种马蹄形结构在DNA-XPC-TFIIH复合物中得到了保留，XPB在损伤位点与XPC结合，而XPD既不与DNA相互作用，也不与XPC相互作用。然而，当XPA随后参与进来时，TFIIH经历了一个重大的构象变化。当这种马蹄形结构的两个开放臂聚集在一起形成一种环形结构时，XPB远离了损伤位点，这样XPD就可以在两者之间结合DNA。

那么这种分子排列如何验证DNA损伤的存在呢？众所周知，XPB作为一种“DNA转位酶”发挥功能，它与DNA双链结合并沿着其中一条DNA链移动。根据这种新阐明的复合物结构，有理由认为XPB应该沿着DNA移动，远离损伤位点。然而，由于它受到其他蛋白的限制，XPB本身实际上不能移动。相反，DNA双链向相反的方向移动。换句话说，XPB将DNA推入这种复合物。

NER复合物的结构。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05959-z。

鉴于这种结构显示XPA的一部分被插入在XPB后面的两条DNA链之间，因此预计它将像解开紧固件一样将DNA双链解开为单链。此外，还已知XPD与单链DNA结合，并沿一种规定的方向（5'→3'）移动。

在被XPB和XPA解开的两条DNA链中，XPD与受损的DNA链结合。然而，与XPB的情况一样，XPD本身不能移动，所以受损的DNA链也同样被拉向这种复合物。当与单链DNA结合时，在XPD中形成一个狭窄的针孔，DNA链通过该针孔。因此，如果DNA链上存在较大的损伤，该部分将被困于XPD的入口处，从而使该链停止移动（就像一根打结的线无法通过针眼一样）。

因此，这项新的研究成功地阐明了验证DNA损伤存在的机制：通过XPD阻断DNA链的移动来决定是否继续进行修复反应。事实上，以前的研究已表明，可以预测通过XPD针孔的非大体积的DNA损伤（碱基脱落等）并不是NER修复过程的目标。

这项新的研究明确了XPA、XPB和XPD等蛋白的哪些部分参与了修复受损DNA的NER过程，以及它们的作用机制。随着我们对XP患者中这些蛋白的致病变体所引起的结构变化对修复反应的负面影响的了解加深，也有可能在未来支持药物和其他治疗方法的开发。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Jinseok Kim et al. Lesion recognition by XPC, TFIIH and XPA in DNA excision repair. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05959-z.

2. New insight into how xeroderma pigmentosum causative gene products ensure the accuracy of DNA repair
https://phys.org/news/2023-06-insight-xeroderma-pigmentosum-causative-gene.html