Nature | 杨薇/Martin Gellert团队揭示非同源末端连接的分子机制

主要观点总结

本文详细解析了非同源末端连接（NHEJ）和同源重组（HR）这两种细胞内主要的DNA双链断裂（DSB）修复途径。重点介绍了NHEJ修复途径的关键蛋白、加工酶以及DNA聚合酶的协同作用机制。通过阐述美国国立卫生研究院的杨薇和Martin Gellert研究团队在Nature上发表的研究论文，介绍了NHEJ途径中gap-filling和ligation的协同反应机制，以及相关的结构生物学研究。

关键观点总结

关键观点1: NHEJ和HR是细胞内主要的两种DSB修复途径，NHEJ不需要同源DNA作为修复模板，几乎可以在所有细胞周期发挥作用，且修复速度更快。

细胞内约80%的DSBs由NHEJ修复。NHEJ修复途径包括DNA末端识别、末端加工和连接三个步骤，由超过30种蛋白协同完成。

关键观点2: 核酸酶Artemis、DNA聚合酶Pol μ、Pol λ、TDT以及修复酶PNKP、TDP1等均参与NHEJ，但不清楚这些加工酶如何与NHEJ核心蛋白协同作用。

Pol μ 、 Pol λ 和TDT可以补齐DNA末端残留的缺口，为接下来的连接反应提供正确的DNA底物。

关键观点3: 研究团队利用冷冻电镜技术解析了gap-filling和ligation复合物结构，揭示了NHEJ途径最后两步中DNA修复机器的组装及动态变化，以及DNA聚合酶和连接酶的协同反应机制。

两种复合物具有相似的结构框架，两个KU分别结合在两段DNA上，XRCC4-XLF-XRCC4形成ω型框架，并通过LIG4 BRCT结构域结合在两个KU上。Pol μ的招募依赖于其BRCT结构域与KU bridge的相互作用。

文章预览

非同源末端连接 （ non-homologous end joining ， NHEJ ） 和 同源重组 （ homologous recombination ，  HR ） 是细胞内主要的两种 DNA 双链断裂 （ DNA double strand break ， DSB ） 修复途径。与 HR 相比， NHEJ 不需要同源 DNA 作为修复模板，几乎可以在所有细胞周期发挥作用，且修复速度更加快速。细胞内约 80% 的 DSB s 由 NHEJ 修复。此外，一些细胞程序性的 DNA 断裂，如抗体基因形成过程中的 VDJ  重排所产生的 DSB ，也由 NHEJ 修复。 NHEJ  修复途径可以大致划分为 DNA 末端识别、末端加工和连接三个步骤，由超过 30 种蛋白协同完成。其中，核心蛋白包括 DNA-PKcs ， Ku70 ，  Ku80 ， XLF ， XRCC4 和 LIG4 。体外实验结果显示，核心蛋白可修复不需要加工的 DNA 粘性末端和平末端。然而，由离子辐射、紫外照射或其它因素导致的天然 DSB 往往伴随着碱基缺失、碱基损伤、末端加合等 ………………………………