揭示DNA糖苷酶AAG介导核小体碱基切除的结构和机制

DNA糖苷酶与受损DNA碱基的结合标志着碱基切除修复的开始。基于核小体的真核基因组包装阻碍了DNA的可及性，而DNA糖苷酶如何定位核小体上的底物位点目前尚不清楚。

2023年6月20日，北京大学高宁团队在Cell Discovery 在线发表了题为“Structural and mechanistic insights into the DNA glycosylase AAG-mediated base excision in nucleosome”的研究论文，该研究揭示了脱氧肌苷（DI）诱导的核小体结构动力学修饰的分子基础，并阐明了DNA糖苷酶AAG如何以不同的溶液可及性进入核小体上的受损位点。

该研究报道了在不同几何位置携带DI的核小体的冷冻电子显微镜结构，以及它们与DNA糖苷酶AAG复合的结构。无载核小体结构表明，DI的单独存在会在全局范围内干扰核小体DNA，导致DNA和组蛋白核心之间的界面普遍减弱，核小体DNA的进出具有更大的灵活性。AAG利用这种核小体的可塑性，通过形成稳定的酶-底物复合物，使DNA进一步局部变形。总之，该研究揭示了受损碱基对核小体稳定性的影响，并为理解DNA糖苷酶AAG如何利用核小体的结构动力学参与核小体中的DNA碱基损伤提供了一个机制框架。

另外，2023年4月11日，北京大学高宁及李宁宁共同通讯在Cell 在线发表题为“Structural basis of membrane skeleton organization in red blood cells”的研究论文，该研究揭示了血红细胞膜骨架组织的结构基础。该研究报道了天然血影蛋白-肌动蛋白连接复合物(来自猪红细胞)（一种特化的短F-肌动蛋白，作为膜骨架的中心组织单位）的冷冻电镜结构。当α-/β-adducin异质四聚体结合到F-肌动蛋白的倒刺端作为一个柔性帽时，tropomodulin（原肌球调节蛋白）和SH3BGRL2一起在尖端形成一个绝对帽。连接复合物通过dematin中间层的环状结构与原肌球蛋白（tropomyosin）在其整个长度上的周期性相互作用而加强。这项工作为理解膜骨架的组装和动力学提供了一个结构框架，并为其他F-肌动蛋白系统中各种无处不在的F-肌动蛋白结合因子的机制提供了见解（点击阅读）。

真核生物碱基切除修复（BER）机制定位并修复染色质中的DNA碱基损伤。基因组DNA由于各种外源性损伤剂和自发分解反应而含有大量的DNA碱基损伤。在人类细胞中，DNA碱基损伤主要通过损伤特异性DNA糖苷酶检测。DNA糖苷酶识别受损的碱基并催化其切除，留下一个无嘌呤/无嘧啶位点（AP位点），该位点将被AP位点核酸内切酶APE1切割，在DNA上产生缺口。随后的修复反应涉及AP裂解酶活性、DNA聚合酶活性和DNA连接酶活性。这些反应由XRCC1、DNA聚合酶β和DNA连接酶III在短片段BER亚途径中执行，而长片段BER子途径需要复制性DNA聚合酶δ/ε-PCNA-RFC机制、瓣状核酸内切酶1和DNA连接酶I。

烷基腺嘌呤DNA糖苷酶（AAG，3-甲基腺嘌呤-DNA糖苷酶）作为DNA碱基损伤的第一反应者之一，可以识别3-甲基腺嘌呤（3-MA）和7-甲基鸟嘌呤（m7G）、氧化腺嘌呤1、N6-乙烯腺嘌呤（εA）和脱氨基腺嘌呤-次黄嘌呤等烷基嘌呤。在人类中，AAG的表达改变和单核苷酸多态性与微卫星不稳定性、自发移码突变以及包括骨肉瘤、乳腺癌症和星形细胞肿瘤在内的多种癌症有关。在小鼠模型中，Aag敲除小鼠易患肝癌和结直肠癌，而Aag过表达小鼠体内过量的Aag活性会导致肝毒性、致死性和其他烷基化诱导的毒性。

核小体中AAG识别DNA碱基损伤的机制（图源自Cell Discovery ）

虽然碱基切除酶对裸DNA双链体作用的结构机制已经很清楚了，但这些蛋白质如何克服核小体施加的障碍来定位和修复核小体中的DNA碱基损伤还不完全清楚。该研究使用冷冻电镜来解释BER因子AAG如何进入被引入核小体上不同位置的受损碱基。结果表明，单个DI核苷酸可以诱导核小体结构的全局扰动，而AAG利用改变的核小体动力学，并根据核小体上受损碱基的几何位置，采用不同的机制进入底物位点。在更广泛的背景下，该研究的工作也有助于了解核小体的结构动力学如何与DNA结合蛋白相互作用，以调节它们在染色单体真核基因组上的作用。