Gene & Dev綜述?|?查珊團隊梳理經典非同源重組DNA損傷修復的動態(tài)調控

DNA雙鏈斷裂（Double-Stranded Break）是最具破壞性的DNA損傷形式之一，而經典非同源重組（Classical Non-Homologous End Joining，C-NHEJ）是哺乳動物細胞中最廣泛、最快速的DNA修復路徑。

圍繞這一核心過程，近日，哥倫比亞大學的Dr. Shan Zha (查珊)組在Genes & Development上發(fā)表綜述文章Nonhomologous end joining—the importance of end tethering and beyond，對C-NHEJ的動態(tài)調控， 結構機制及多年的遺傳學觀察進行了系統(tǒng)性梳理。文章把C-NHEJ分解成5 個主要步驟。重點介紹了非同源重組中的5座鏈接兩個DNA末端的蛋白質橋梁。

在經典非同源重組（C-NHEJ）過程中，DNA雙鏈斷裂的修復并非簡單的線性反應，而是一個由多個結構節(jié)點協(xié)同驅動的動態(tài)過程。整體可概括為五個連續(xù)但相互耦合的步驟：首先，斷裂末端由Ku70/Ku80快速識別并結合（Step 1: end binding），形成穩(wěn)定的DNA端保護結構；隨后招募DNA-PKcs – 一個大型激酶（Step 2: end-protection）。在激活前，DNA-PKcs和DNA末端形成非共價連接，保護DNA末端不被降解。解釋為什么表達激酶失活的DNA-PKcs 會完全阻止C-NHEJ。不同于同源重組或MMEJ， 非同源重組不依賴于DNA末端相似性，而完全靠非同源重組蛋白形成框架。所以修復過程的核心并非單一連接，而是由多個蛋白橋梁 （Step 3： end-tethering） 把兩個DNA末端維系在一起。 哺乳動物至少包含五種已知的結構性橋接：Ku80 和對側DNA-PKcs之間的跨端結合、兩側DNA-PKcs 和DNA-PKcs復合體形成的空間支架、由Ku-LIG4-XRCC4-XLF-XRCC4-LIG4-Ku介導的跨分子W型機構, XLF 雙聚體末端和兩側Ku80的直接鏈接，以及PAXX雙聚體末端與兩側Ku70的穩(wěn)定結合增強局部連接。 這些橋接并非完全冗余備份，而是共同構建一個多點連接體系，其中任意單一橋接的缺失往往可以被其他路徑部分補償，而當超過三個橋接同時受損時則會導致修復失敗。這也解釋了，為什么XLF/PAXX， XLF/DNA-PK 雙敲除的小鼠和小鼠細胞會完全失去非同源重組。 隨后，斷裂末端根據(jù)需要進行核酸加工與修整（Step4: end processing - 包括Artemis 和Polymerase），以生成可連接的結構；最終，由XRCC4–LIG4復合體完成DNA末端的共價連接（Step 5: End-ligation）。這一“5步驟–5橋接” 的框架強調，C-NHEJ的在哺乳動物細胞，進化成一條依賴多重結構約束，穩(wěn)定與動態(tài)平衡的分子網(wǎng)絡，進而蛻變成一條高效，抗干擾能力很強的快速DNA修復通路。

綜述深入探討了近十年的結構學發(fā)現(xiàn)，并用這些知識解釋了過去20年的遺傳學上觀察到的功能冗余性及在不同生理背景下的高度適應性。文章結尾，作者還總結了經典非同源重組通路目前的一些問題，為同學們入門和外行學習經典非同源重組提供了很好的參考。

查珊實驗室的博士后Dr. Geunil Yi 為綜述繪制了結構圖像。

值得一提的是，此前查珊實驗室和張朝林實驗室合作，在Nature發(fā)表文章Ku limits RNA-induced innate immunity to allow Alu expansion in primates，發(fā)現(xiàn)在人類細胞中（HCT116 和HEK293）Ku的缺失會迅速觸發(fā)以MDA5和RIG-I為核心、通過MAVS傳導的dsRNA先天免疫通路，導致干擾素和NF-κB信號強烈激活。雖然干擾素本身不會致死，但干擾素效應和NF-κB會上調細胞內其它核酸免疫感受蛋白-PKR， OAS， RIG-I等等。隨著Ku持續(xù)下降，細胞進一步啟動dsRNA-PKR介導的翻譯抑制以及dsRNA誘導的OAS–RNase L通路對核糖體RNA的降解，最終引發(fā)生長停滯和細胞死亡。敲除MAVS、RIG-I或MDA5可顯著緩解干擾素反應，而PKR缺失則可部分恢復細胞生長，表明Ku的“必需性”源于其抑制內源dsRNA誘導免疫反應的作用。

機制上，哥倫比亞大學的張朝林實驗室通過分析Ku-irCLIP數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在人類細胞中，Ku通過結合廣泛存在的dsRNA結構，包括rRNA， tRNA， microRNA， 但尤其是來源于靈長類特有Alu元件，特別是反向的Alu的stem-loop結構。這些結構主要分布于內含子和3'非翻譯區(qū)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，Ku表達水平與Alu擴增高度相關（Pearson R=0.94/0.95），在靈長類中顯著升高，而在非靈長類動物中較低，提示Ku與Alu在進化過程中發(fā)生了功能耦合。因此，Ku不僅是DNA修復因子，更作為一種 “RNA緩沖器”，通過結合并隔離Alu來源的dsRNA，防止其被誤識別為病毒，從而抑制異常的先天免疫激活。這一模型不僅解釋了Ku在人類細胞中的高表達與必需性，也揭示了基因組進化（Alu擴張）如何重塑基礎分子機制，使DNA修復蛋白獲得維持RNA穩(wěn)態(tài)與免疫平衡的關鍵功能，打開了Ku作為靈長類特有的RNA調節(jié)蛋白的新研究領域。

https://genesdev.cshlp.org/content/40/7-8/411.long

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09104-w

制版人： 十一

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