DNA修复蛋白就像身体的编辑，不断地发现并修复我们遗传代码中的损伤。研究人员长期以来一直努力理解癌细胞如何劫持其中一种名为聚合酶θ（Pol-theta）的蛋白质以求生存。但斯克里普斯研究所的科学家们现在捕捉到了Pol-theta运作的首批详细图像，揭示了导致一系列癌症的分子过程。
研究结果于2025年2月28日在《自然结构与分子生物学》上发表，阐明了Pol-theta在与断裂的DNA链结合时经历的重大结构重排。通过揭示Pol-theta结合DNA时的结构——其活跃状态——这项研究为设计更有效的癌症药物提供了蓝图。
“我们现在对Pol-theta的工作方式有了更清晰的认识，这将使我们能够更精确地阻止其活性，”高级作者、斯克里普斯研究所教授加布里埃尔·兰德尔（Gabriel Lander）说。
从技术上讲，Pol-theta是一种酶——一种加速化学反应，包括修复细胞相关反应的蛋白质。DNA损伤是细胞面临的一个常见问题，全天候在我们体内发生数百万次。细胞通常使用高度精确的机制来修复这些断裂，但一些癌症——特别是由BRCA1或BRCA2突变引起的癌症，如某些乳腺癌和卵巢癌——缺乏这种功能。相反，它们依赖于由Pol-theta控制的更易出错的方法。
“Pol-theta是一个重要的靶标，许多制药公司视其为治疗有缺陷DNA修复途径的癌症的有前景的方式，”首席作者、兰德尔实验室的前博士后克里斯托弗·泽里奥（Christopher Zerio）补充道。
尽管以前的研究已绘制出Pol-theta结构的部分区域，但该酶与DNA的相互作用并不充分了解。
“缺失的是Pol-theta如何与DNA实际结合的过程，这对药物开发至关重要，”泽里奥说。
早期研究表明，Pol-theta存在两种形式：四聚体（四个酶分子）和二聚体（两个酶分子）。但Pol-theta在这两种形式之间变化的原因或方式尚不清楚。
在这项研究之前，Pol-theta的结构只在非活跃状态下被捕获，导致关于该酶与DNA相互作用的重大知识空白。这就像试图确定蜜蜂是如何获取花蜜的，而你看到的只是闭合的花朵。
“你知道这种相互作用一定会发生，但在没有看到它的情况下，机制仍然是个谜，”兰德尔解释道。
利用冷冻电子显微镜和生化实验，研究团队在捕捉Pol-theta修复DNA的过程中发现了一个惊人的结果：每当Pol-theta结合到断裂链时，它会持续从四聚体转变为一个前所未见的二聚体构型。
一旦处于活跃状态，Pol-theta便使用两步法修复DNA：首先，该酶会在断裂链上寻找称为“微同源”的小匹配序列。一旦找到匹配序列，Pol-theta会将断裂的DNA链保持在一起，以便它们可以被缝合——而无需额外的能量。大多数酶在工作时需要能量增强，而Pol-theta则依赖于匹配DNA序列之间的自然吸引力，使其能够自行契合到位。
“如果我们能阻止这一过程，我们就能让依赖Pol-theta的癌症对治疗变得更加敏感，”泽里奥说。
重要的是，Pol-theta在健康细胞中的表达量很低，使其成为癌症疗法的有前景靶标。与依赖Pol-theta作为缺陷修复途径替代方案的癌细胞不同，健康细胞依赖于更准确的修复机制，这些机制需要能量——确保更精确的DNA修复。由于健康细胞在生存中并不需要Pol-theta，因此阻止该酶的活性可能不会对健康组织造成广泛损害。
“大多数癌症药物针对的是健康细胞也需要的蛋白质，”兰德尔指出。“特别针对Pol-theta应该只杀死癌细胞，降低治疗过程中的副作用几率。”
抑制Pol-theta的药物已经进入临床试验，但目前必须与其他疗法结合才能有效发挥作用。虽然这项研究可能会促进更精确的药物开发，但进一步的研究可能会揭示该酶在细胞功能中的其他角色。
“我们还想了解为什么Pol-theta以四聚体形式存在，以及它与其他DNA修复酶的相互作用方式，”兰德尔说。“这样的见解可能会导致针对BRCA相关癌症的新靶向方法。”
这项工作得到了国家卫生研究院的资助（F32CA288144、GM14305和S10OD032467）。
