研究長(cháng)期以來(lái)一直在努力理解變異細胞如何劫持一種名為聚合酶θ（Pol-theta）的蛋白，以維持自身的存活。但斯克里普斯研究所的科學(xué)家們如今捕捉到了Pol-theta在修復DNA過(guò)程中的首批詳細圖像，揭示了與多種基因損傷相關(guān)的分子機制。

這項研究于近日發(fā)表在《Nature Structural & Molecular Biology》上，揭示了Pol-theta在綁定斷裂DNA鏈時(shí)如何發(fā)生重大結構重排。通過(guò)展示Pol-theta與DNA結合時(shí)的結構——即其活性狀態(tài)。

“我們現在對Pol-theta的工作方式有了更清晰的認識，這將使我們能夠更精確地阻斷其活性，”該研究的資深作者、斯克里普斯研究所教授Gabriel Lander表示。

從技術(shù)上講，Pol-theta是一種酶，能夠加速化學(xué)反應，包括細胞修復相關(guān)的反應。DNA損傷是細胞面臨的持續問(wèn)題，平均每天發(fā)生數百萬(wàn)次。細胞通常使用高精度的機制來(lái)修復這些斷裂，但某些變異細胞，特別是因BRCA1或BRCA2基因突變引起的，缺乏這種修復能力。它們反而依賴(lài)一種錯誤率更高的方法，通過(guò)Pol-theta進(jìn)行修復。

“Pol-theta是一個(gè)重要的研究目標，許多制藥公司將其視為治療具有缺陷修復通路變異細胞的有希望的方法，”該研究的第一作者、Lander實(shí)驗室的前博士后Christopher Zerio補充道。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1062797

圖片信息：Pol-theta 酶（藍色）連接斷裂 DNA 鏈（黃色）的兩個(gè)部分。這個(gè)過(guò)程是誘變的，會(huì )導致細胞變異。

盡管先前的研究已繪制出Pol-theta結構的部分特征，但其與DNA的相互作用仍不明確。“缺失的部分就是Pol-theta如何與DNA結合，這對藥物開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，”Zerio說(shuō)道。

先前的研究顯示，Pol-theta存在四聚體（四個(gè)酶拷貝）和二聚體（兩個(gè)酶拷貝）兩種形式，但Pol-theta為何或如何在這兩種形式之間轉變仍不清楚。

在這項研究之前，Pol-theta的結構只曾在不活躍狀態(tài)下被捕捉到，這留下了關(guān)于該酶如何與DNA交互的重大知識空白。這就像試圖了解蜜蜂如何獲取花蜜，但你所見(jiàn)的只有封閉的花朵。

“你知道這種相互作用必須存在，但不看到它，機制依然是個(gè)謎，”Lander解釋道。

研究團隊通過(guò)使用冷凍電子顯微鏡和生化實(shí)驗，驚奇地發(fā)現：每當Pol-theta結合斷裂的DNA鏈時(shí)，它總會(huì )從四聚體狀態(tài)轉變?yōu)橐环N前所未見(jiàn)的二聚體配置。

一旦進(jìn)入活性狀態(tài)，Pol-theta通過(guò)兩個(gè)步驟修復DNA：首先，酶在斷裂的鏈上搜索稱(chēng)為“微同源”的小匹配序列。一旦找到匹配序列，Pol-theta便將斷裂的DNA鏈固定在一起，使其能夠自然縫合在一起——這不需要額外的能量。大多數酶需要能量才能發(fā)揮作用，但Pol-theta依賴(lài)于匹配DNA序列之間的自然吸引力，使其能夠自動(dòng)歸位。

“如果我們能夠阻斷這一過(guò)程，Pol-theta依賴(lài)的變異細胞將對治療變得更加敏感，”Zerio說(shuō)道。

值得一提的是，Pol-theta在健康細胞中的水平較低，這使其成為一個(gè)具有潛力的研究靶點(diǎn)。與依賴(lài)Pol-theta作為替代修復方案的變異細胞不同，健康細胞依賴(lài)于進(jìn)行更精確修復的機制，這些機制通常需要能量——因此提供更為精確的DNA修復。因為健康細胞不需要Pol-theta來(lái)存活，阻斷該酶的活性可能不會(huì )對健康組織造成顯著(zhù)損害。

“多數抗變異細胞藥物的靶點(diǎn)是健康細胞所需的蛋白質(zhì)，”Lander指出。“專(zhuān)門(mén)針對Pol-theta可以以更高的精確度殺死變異細胞，減少治療過(guò)程中的副作用。”

目前，抑制Pol-theta的藥物已在臨床試驗中進(jìn)行，但目前必須與其他療法結合使用才能有效。雖然這項研究可能為更精準的藥物開(kāi)發(fā)提供指導，但進(jìn)一步的研究可能會(huì )揭示該酶在細胞功能中所扮演的其他角色。

“我們還想了解Pol-theta為何以四聚體形式存在，以及它如何與其他DNA修復酶相互作用，”Lander表示。“這些見(jiàn)解可能導致針對與BRCA相關(guān)基因損傷的新靶向策略。”

雜志：Nature Structural & Molecular Biology

DOI：10.1038/s41594-025-01514-8