Cell：揭示蛋白PARP1形成的超級膠水對DNA損傷的修復至關重要

　　我們的 DNA 會不斷受到損傷和修復。最嚴重的損傷發生在 DNA 斷裂成兩段時，即 DNA 雙鏈斷裂。它會產生兩個松散的DNA末端，如果不加以修復，就會導致細胞死亡。

　　在一項新的研究中，來自德國德累斯頓工業大學生物技術中心的研究人員如今回答了一個長期存在的問題：是什么讓斷裂的DNA末端不被分開。他們發現，蛋白PARP1 變成了一種水下超級膠水，并形成了一個特殊的愈合區，從而將松散的 DNA 末端固定在一起，使 DNA 修復得以開始。這一發現揭示了DNA損傷修復的關鍵步驟，為癌癥治療提供了寶貴的啟示。相關研究結果發表在2024年2月15日的Cell期刊上，論文標題為“PARP1-DNA co-condensation drives DNA repair site assembly to prevent disjunction of broken DNA ends”。

　　論文通訊作者、德累斯頓工業大學生物技術中心研究小組組長Simon Alberti教授解釋說，“細胞如何防止斷裂的DNA末端分離一直是個謎。我的團隊發現，這要歸功于一種名為 PARP1 的蛋白，人們早就知道它是檢測DNA 損傷的傳感蛋白。”

　　Alberti教授補充說，“單個 PARP1 分子檢測到 DNA 雙鏈斷裂，并相互連接，形成一種可被視為水下超級膠水的東西，防止DNA的兩個末端分離。我們稱這種膠水為凝集物，它是一簇緊密相連的蛋白和 DNA 分子，可與細胞的其他部分隔離開來。這種膠水形成了一個特殊的愈合區。它不僅能將DNA的兩個末端保持在一起，還能讓DNA修復蛋白發揮作用。”

　　第一反應者和蛋白警戒線

　　PARP1 就像事故現場的第一反應者。它的任務就是沿著 DNA 進行巡視，不斷尋找受損的 DNA。一旦發現DNA雙鏈斷裂，它就會發出警報，呼叫DNA修復蛋白來處理DNA損傷。

　　論文第一作者、Alberti實驗室成員Nagaraja Chappidi博士說，“我們可以確定 DNA 損傷修復位點形成的確切分子事件，但 PARP1 的凝集僅僅是個開始。PARP1與DNA粘合在一起后，就會像酶一樣活躍起來，并招募一系列下游DNA損傷蛋白。”

　　PARP1 將 DNA 損傷斷裂與細胞核的其他部分隔離開來。可以把它想象成第一反應者確認事故現場并封鎖該區域。這樣，分子修復人員就能在安全的空間內完成工作，并迅速修復斷裂的DNA。

圖片來自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.015

　　Chappidi博士補充說，“這些修復蛋白之一是蛋白FUS，人們早就知道它會被招募到DNA損傷位點，但它在那里的功能一直難以捉摸。我們能夠證實，FUS就像一種潤滑劑，可以軟化PARP1所形成的超級膠水，使修復酶可以進入并完成它們的工作。”

　　這是蛋白集體行為產生更高階功能的一個例子。Alberti團隊資深科學家Titus Franzmann博士說，“每種蛋白都各司其職，但它們必須相互協作，才能實現檢測和逆轉 DNA 損傷的目標。”

　　從頭開始創造DNA斷裂

　　為了確定這一機制，這些作者使用了多種前沿的生化和生物物理方法。Chappidi博士解釋說，“我們使用了許多不同的技術，包括單分子成像、光學鑷子和定量生物化學。然而，關鍵的一步是在一種可控的無細胞系統中重現DNA損傷情景。”

　　在試管中自下而上地再現DNA損傷位點是這項新研究的核心，它使得這些作者得以從機制上深入了解DNA修復的調控過程。Chappidi博士補充說，“由于這是有史以來第一次在細胞外重現如此特殊的DNA損傷和修復場景，我們的論文提供了詳細的方案，以便其他人能夠利用這一新系統。我們相信，這將成為研究 DNA 損傷的科學界的一大財富。”

　　對癌癥治療的新認識

　　這項新研究不僅展示了DNA雙鏈斷裂后發生情況的步驟時間表，還為癌癥研究界提供了寶貴的見解。

　　“由于PARP1在DNA損傷修復中的作用，它已經成為獲批的癌癥療法的靶點。抑制 PARP1 可以選擇性地殺死癌細胞。我們的研究揭示了這類癌癥療法如此成功的分子和物理基礎。我們的數據提出了一種模型，在這種模型中，這類癌癥療法會損害PARP1超級膠水，從而使其繼續附著在DNA上。”

　　Alberti教授總結說，“這樣，它就會給癌細胞的復制機制制造路障，引發癌細胞自殺。我們需要更多的研究來更詳細地證實這一機制。”