美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)確定DNA修復(fù)的關(guān)鍵步驟，這有可能有助于開發(fā)遺傳性疾病的靶向基因治療法，如“月球來的孩子”和結(jié)腸癌的常見形式。相關(guān)文章發(fā)表于2014年8月18日的《PNAS》雜志上。

Peng Mao在華盛頓州立大學(xué)分子生物科學(xué)系的他的實(shí)驗(yàn)室。

圖片來源：麗貝卡E.菲利普斯

美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)確定DNA修復(fù)的關(guān)鍵步驟，這有可能有助于開發(fā)遺傳性疾病的靶向基因治療法，如“月球來的孩子”和結(jié)腸癌的常見形式。

這種疾病是由錯(cuò)誤的DNA修復(fù)系統(tǒng)引起的，該系統(tǒng)提高患癌癥和其它條件的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)文章發(fā)表于2014年8月18日的《PNAS》雜志上。

董事教授Michael Smerdon和博士后研究員Peng Mao發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DNA被破壞時(shí)，一個(gè)特定的蛋白質(zhì)首先必須被“解開扣子”，以方便獲取DNA的“修理隊(duì)”。如果沒有蛋白解開這一過程，進(jìn)入受損位點(diǎn)的這一過程會(huì)被染色質(zhì)的緊湊排列的基因和蛋白質(zhì)阻攔。

Smerdon和Mao的發(fā)現(xiàn)是首次記錄了修復(fù)過程在染色質(zhì)上是如何發(fā)生的細(xì)節(jié)之一。

DNA修復(fù)日常需求

Smerdon說，每個(gè)人體細(xì)胞都會(huì)遭受各種各樣的攻擊，每天最多可以創(chuàng)建100,000 個(gè)DNA損傷。細(xì)胞必須不斷的修復(fù)這些損傷，以及迅速產(chǎn)生可替代的DNA和蛋白質(zhì)。

RNA聚合酶就像一個(gè)小火車頭，不斷來回地進(jìn)行DNA的復(fù)制遺傳信息。當(dāng)它達(dá)到蛋白質(zhì)是細(xì)胞所需的一個(gè)基因時(shí)，它就會(huì)停止，并解開雙鏈DNA，然后復(fù)制一條鏈，并將這條鏈發(fā)送到機(jī)器中生產(chǎn)新的蛋白質(zhì)。

但是，Smerdon說，當(dāng)DNA遭到紫外線輻射或有害物質(zhì)損壞時(shí)，它就會(huì)形成一個(gè)堅(jiān)不可摧的塊狀，使得RNA聚合酶停止。就像鐵軌上的巨石，毫無生命的腫塊阻斷了該基因生產(chǎn)所有的蛋白質(zhì)。除非很快就能夠進(jìn)行修復(fù)，否則細(xì)胞就會(huì)死亡。

在健康的人群中，酶的維修人員與RNA聚合酶一同移動(dòng)，并立即沖進(jìn)去切除損傷和消除痕跡。這就是所謂的轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)，或TCT，四個(gè)已知的DNA修復(fù)系統(tǒng)之一的一個(gè)方面。Smerdon說，在任何修復(fù)系統(tǒng)中，甚至只有局部缺陷都有可能導(dǎo)致危及生命的病癥。

月球來的孩子

Smerdon的實(shí)驗(yàn)室研究了修復(fù)缺陷疾病，如著色性干皮病或XP，在1874年首次發(fā)現(xiàn)作為一個(gè)可能的遺傳疾病。被稱為月球來的孩子，XP患者缺乏切除受損DNA的酶，并對(duì)紫外線照射非常敏感，甚至在熒光燈下，皮膚都能夠起泡。

他們的皮膚癌發(fā)病率比沒有異常的人們高出2000倍。他們只有在黑暗中才能夠安全。

Smerdon和他的同事還研究科凱恩綜合征，一種TCR缺陷疾病，可導(dǎo)致極端的陽光敏感，神經(jīng)系統(tǒng)退化和過早老化。

其他的DNA修復(fù)缺陷也可導(dǎo)致各種各樣的疾病，如白血病，乳腺癌和遺傳性非息肉性大腸癌(導(dǎo)致西方國(guó)家大腸癌的一種常見原因)。

松開腰帶

利用酵母和人類細(xì)胞，Smerdon，Mao和他們的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，正常的TCR修復(fù)過程有兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，以及一種叫做H2B的染色質(zhì)蛋白質(zhì)在第一步中起著至關(guān)重要的作用。

為了幫助修復(fù)酶能夠進(jìn)入被大力保護(hù)的DNA中，H2B首先會(huì)解開一個(gè)較小的蛋白質(zhì)的扣子，就像你在一頓豐富的大餐后放松你的皮帶一樣，這使得DNA鏈放松和分開。隨著鏈的打開，維修人員才有空間進(jìn)來和清楚損傷區(qū)域。

這較小的蛋白質(zhì)的解開，被稱為deubiquitylation。Smerdon和Mao說，這個(gè)過程使得DNA的修復(fù)效率更高，并且沒有它的修復(fù)是不可能的。

他們的發(fā)現(xiàn)作為進(jìn)一步研究染色質(zhì)中的DNA修復(fù)在很大程度上的未知領(lǐng)域的基礎(chǔ)。他們的目標(biāo)是更好地了解這一過程在人類身上的工作機(jī)理。

基因療法

“即使在基本技術(shù)層面上，我也沒有忽視這項(xiàng)研究最終對(duì)人體健康而言所能做的，” Smerdon說。

“其中一個(gè)正在開發(fā)的治療方法是靶向基因療法，”他說。“如果一個(gè)病人有一個(gè)特定的基因突變，這個(gè)療法會(huì)為他們提供一個(gè)正常的拷貝來試圖糾正變異基因。雖然它已在某些疾病已經(jīng)成功地做到這一點(diǎn)，但它仍然被修復(fù)缺陷案例中研究。”

Mao推測(cè)，在未來，有DNA修復(fù)問題的人可能會(huì)吃一種可以提供修復(fù)酶活性的藥物，就可以達(dá)到治療的目的。但這個(gè)想法還沒有任何臨床試驗(yàn)。

原文摘要：

UV damage-induced RNA polymerase II stalling stimulates H2B deubiquitylation

Peng Mao, Rithy Meas, Kathleen M. Dorgan and Michael J. Smerdon

Histone H2B monoubiquitylation plays an important role in RNA polymerase II (RNAPII) elongation. Whether this modification responds to RNAPII stalling is not yet known. We report that both yeast and human cells undergo a rapid and significant H2B deubiquitylation after exposure to UV irradiation. This deubiquitylation occurs concurrently with UV-induced transcription arrest and is significantly reduced in a DNA damage-bypassing RNAPII yeast mutant. Consistent with these results, yeast deubiquitylases Ubp8 and Ubp10 are associated with the RNAPII complex. Moreover, simultaneous deletion of Ubp8 and Ubp10 leads to a lack of H2B deubiquitylation after UV exposure. Consequently, nucleotide excision repair at an actively transcribed gene locus is decreased, whereas UV-induced RNAPII degradation is increased in ubp8Δubp10Δ mutant cells. These results indicate that eukaryotic cells respond to RNAPII arrest by deubiquitylating H2B to coordinate DNA repair and RNAPII degradation.

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