近日，上海科技大学生命科学与技术学院孙博课题组在知名学术期刊《欧洲分子生物学学会杂志》（The EMBO Journal）在线发表题为“Discrete RNA–DNA hybrid cleavage by the EXD2 exonuclease pinpoints two rate-limiting steps”（核酸外切酶EXD2对RNA–DNA 杂合体的非连续切割指明两个限速步骤）的研究论文，报道了核酸外切酶EXD2的降解新机制。
核酸外切酶是以核酸为底物、特异性持续催化磷酸二酯键水解的一类蛋白。这类蛋白参与了包括DNA复制、修复及RNA转录、翻译等几乎所有核酸相关的代谢过程，其功能的缺失会导致遗传信息的不稳定及癌症等重大疾病的发生。该类蛋白体内特殊功能大都通过底物的特异性识别、降解来实现。具有高级结构核酸底物的核酸外切酶，通常需要将其分解为单链核酸以便降解。然而，核酸外切酶如何区分核酸底物以及高效协调高级结构核酸分解和降解的机制仍不清楚。
EXD2是2016年发现的核酸外切酶家族的新成员，不仅在DNA复制及修复中扮演着重要角色，在线粒体RNA翻译等过程中也发挥着不可或缺的作用。其功能的缺失会使细胞丧失应对DNA损伤的能力，进而导致细胞的死亡。体外研究发现，EXD2具有切割单、双链RNA以及DNA的能力。
为进一步研究其降解核酸的机制，本研究利用荧光共振能量转移（FRET）技术，在单分子水平上实时监测EXD2降解RNA–DNA杂合体的动态过程。结果显示，EXD2对杂合体中的RNA具有降解偏好性，它以四个碱基对为一个周期，非连续地降解杂合体。这种非连续性的核酸降解是由双链杂合体解旋以及随后的单链核酸水解两个限速步骤导致的。此外，杂合体在解旋后的频繁回卷（rewinding）是EXD2相对低效降解DNA的主要原因。这些发现不仅为理解核酸外切酶协调高级结构核酸的分解与降解提供了新的视角，而且为明确EXD2的体内功能提供了重要参考。
图1. EXD2切割RNA–DNA杂合体的动力学模型。
孙博课题组上科大生命学院2019级博士生贾鑫硕及2021级博士生李亚楠为共同第一作者，孙博为通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。上科大免化所助理教授杨贝及生命学院副教授陈佳参与了该工作。上科大分子细胞平台对该项研究提供了技术帮助。该工作得到了国家自然科学基金委及上海市自然科学基金委的基金支持。
文章链接：https://www.embopress.org/doi/abs/10.15252/embj.2022111703