自然界 | FANCD2-FANCI 复合物识别与保护停滞复制叉的 DNA 修复机制

DNA复制是保障生物体遗传信息传递和稳定的重要过程，但在这一过程中难免会出现各种障碍，导致DNA损伤。双链交叉连接（ICLs）是其中一种较为严重的损伤形式，会阻碍DNA的复制和转录，甚至引起细胞凋亡或癌变。因此，及时修复ICLs对维持细胞功能和基因组稳定性至关重要。

范可尼贫血症（Fanconi Anaemia）途径是一个修复ICLs的重要路径。该路径的关键组分是FANCD2-FANCI（D2-I）蛋白复合物，能够识别ICLs并启动修复过程。D2-I复合物由FANCD2和FANCI两个亚基组成，其中FANCD2主要负责与DNA的结合，FANCI则参与D2-I复合物的组装和功能调控。

D2-I复合物不仅在ICLs修复中发挥关键作用，还与其他DNA修复过程密切相关。例如，人类免疫缺陷病毒（HIV）感染和CRISPR介导的DNA修复过程中，D2-I复合物都扮演保护停滞复制叉的角色。停滞复制叉是指DNA复制叉在DNA损伤处停止，导致DNA损伤积累和基因组不稳定。

近期，英国剑桥大学MRC分子生物实验室的Lori A. Passmore研究团队与帝国理工学院的David S. Rueda研究团队合作，在《Nature》杂志发表了一篇题为“FANCD2–FANCI surveys DNA and recognizes double- to single-stranded junctions”的研究论文。研究人员通过单分子成像和冷冻电镜技术，直接可视化D2-I与DNA的相互作用，并探究其识别和修复DNA损伤的机制。

首先，研究人员制备了荧光标记的D2-I复合物，并使用光镊、共聚焦显微镜和微流体系统捕获λ噬菌体DNA，观察到D2-I能够在DNA上滑动。进一步分析发现，D2-I在DNA上以双向扩散的方式运动，其扩散速度与Cdc45-MCM-GINS复制解旋酶相当，但低于PCNA和XRCC4-XLF。D2-I在DNA上的停留时间较长，可以覆盖几乎整个λ DNA的长度。

研究还发现，D2-I在遇到DNA末端时，会反弹并沿相反方向继续扩散。当D2-I遇到含有Holliday接头的DNA时，会停滞在接头的中心区域。这表明DNA环状结构对D2-I的滑动形成了物理障碍。

进一步研究显示，D2-I在双链DNA上滑动，但在遇到单链-双链（ss-ds）DNA交联结构时会停滞。冷冻电镜结构显示，停滞的D2-I与ss-dsDNA交联的相互作用不同于滑动时的情况，D2-I可以识别并锁定ss-dsDNA交联。

最后，冷冻电镜结构分析表明，D2-I滑动和停滞在DNA上的分子机制不同。当D2-I滑动在双链DNA上时，FANCI蛋白的C端结构域与DNA发生静电相互作用，推动D2-I沿DNA双螺旋滑动。而当D2-I停滞在ss-dsDNA交界处时，FANCD2蛋白的KR结构域与DNA直接相互作用，将D2-I锁定在交界处。这种停滞机制对DNA损伤修复至关重要，因为停滞的D2-I可以识别DNA损伤部位并保护停滞的复制叉。同时，FANCD2的泛素化可以促进D2-I定位于DNA交联部位，而KR结构域突变会导致D2-I的DNA结合效率和交联修复能力下降，表明KR结构域在DNA损伤修复中起重要作用。

总之，这项研究揭示了D2-I在DNA修复中的重要作用，为理解范可尼贫血症途径及其他类型DNA修复的分子机制提供了关键见解，并为开发新的DNA损伤修复治疗方法提供了新的思路。