众所周知，生命的本质是蛋白质，不同的蛋白质由不同的基因编码和RNA转录翻译将不同的氨基酸组装合成，不同的基因位于不同的DNA片段，蛋白质、DNA和RNA组成染色质，染色质又构成染色体，而少数蛋白质调节控制着整个过程，还可修复DNA损伤。这些蛋白质与DNA的相互作用，决定了正常细胞和肿瘤细胞的命运，通常也决定了整个生物的命运。此前，我们只能间接推测这些蛋白质与DNA的分子纠缠。
2025年5月22日，全球自然科学三大旗舰期刊之一、美国《细胞》正刊在线发表德国慕尼黑工业大学生命科学学院、奥地利科学院分子医学研究中心的研究报告，开发出零距离光交联方法，对活细胞可直接相互作用的DNA与蛋白质进行定量分析，这就好比给活细胞装了24小时监控，能够实时拍摄到哪些蛋白质在摸鱼打酱油、哪些蛋白质在认真修复DNA损伤。
该研究通过收集人类激素受体阳性乳腺癌细胞全部可直接相互作用的DNA与蛋白质数据，构建出包含一千多种可直接接触DNA的蛋白质图谱，并利用数百个肽与核苷酸交联键，以单氨基酸分辨率精准定位蛋白质与DNA相互作用点，该质谱分析精度吊打同行，氨基酸级定位堪比刑侦指纹鉴定。
该研究利用光活化核苷酸对DNA进行代谢标记和紫外线显像（就像在小偷衣服上撒荧光粉，开紫外线一照全显形）定量比较来自经过不同处理细胞的全部可直接相互作用DNA与蛋白质，可以重现关键转录因子和DNA修复蛋白质的紧急动员过程，相当于在癌细胞里装了行车记录仪，把DNA与蛋白质的互动拍成了4K超高清纪录片，并在几分钟内揭示染色质可及性的快速限制因子，效率堪比外卖送药。
结果发现：超过60%的DNA结合蛋白质为液态结构，像水一样灵动，这些看似无序的蛋白质，实际是调控基因表达的隐形指挥家，这颠覆了我们对蛋白质必须结构规整的传统认知，就像发现丝绸的柔韧比钢铁的坚硬更适合编织生命的密码；688个精准定位的蛋白质与DNA结合点，让科学家能像全球卫星定位系统一样看清每个氨基酸如何与DNA握手，这为设计靶向药物提供了原子级别的设计图，仿佛找到了癌细胞的阿喀琉斯之踵；通过对比不同药物处理后的蛋白质变化，捕捉到化疗药物如何调动DNA修复部队的动态场景，就像实时监控战场上敌我双方的兵力部署，为制定精准战术提供情报。
此外，铂类化疗药物通过堵住DNA修复通道搞死癌细胞的工作录像首次曝光，如果对能够修复乳腺癌细胞DNA损伤的蛋白质FEN1进行抑制，顺铂化疗效果直接翻倍，FEN1可以成为精准打击乳腺癌的靶点；对内分泌治疗起效速度实测，45分钟就可看到关键蛋白质上岗，以后内分泌用药监测不用等半个月；该研究还破解了染色质压缩的快进键，利用BAF抑制剂，某些蛋白质像春运抢票似的向DNA冲，这相当于找到了癌细胞变形的开关，有望成为开发新药的大杀器！发现核仁蛋白在化疗中的意外离场，启示我们开发保护正常细胞的分子盾牌，让化疗不再是杀敌一千自损八百的无奈选择。
因此，该研究以非间接推测的方式探索DNA调控开辟了直接途径，以前癌症研究像在夜市捞人，现在这套新技术直接升级成天网监控。如果对每位患者绘制蛋白质与DNA相互作用地形图，可以让化疗方案从地毯式轰炸升级为精准制导，如同为每位患者量身定制的基因钥匙，只打开病变细胞的锁。还可实时追踪化疗时DNA修复蛋白质的紧急动员，提前预判耐药机制，如同掌握了癌细胞的应急预案，能在耐药萌芽时就掐断生机。这不是冰冷的实验室数据，而是千万乳腺癌患者的生命曙光。当科学家们在实验室里捕捉到蛋白质在化疗初期的快速反应，就像发现了战场上第一波冲锋的号角，这为及时干预提供了黄金时间窗。每一次显微技术的突破，都在改写人类对抗癌症的战争史。让我们记住这个时刻，当蛋白质与DNA的分子纠缠被解码，当无序之美展现生命调控的奥秘，当动态图谱指引精准医疗的方向，这不仅是科学的胜利，更是人类智慧对生命奥秘的深情告白。最让人高兴的是，该研究全文可免费下载。愿这份来自慕尼黑实验室的免费文献，能化作穿越时空的基因密钥，为每一个与病魔抗争的生命打开希望之门。
Cell. 2025 May 22. IF: 45.5
The human proteome with direct physical access to DNA. Open access
Trendel J, Trendel S, Sha S, Greulich F, Goll S, Wudy SI, Kleigrewe K, Kubicek S, Uhlenhaut NH, Kuster B.
Technical University of Munich (TUM), Freising, Germany; Austrian Academy of Sciences, Vienna, Austria; Helmholtz Center Munich and German Center for Diabetes Research, Neuherberg, Germany.
In a human cell, DNA is packed with histones, RNA, and chromatin-associated proteins, forming a cohesive gel. At any given moment, only a subset of the proteome has physical access to the DNA and organizes its structure, transcription, replication, repair, and other essential molecular functions. We have developed a “zero-distance” photo-crosslinking approach to quantify proteins in direct contact with DNA in living cells. Collecting DNA interactomes from human breast cancer cells, we present an atlas of over one thousand proteins with physical access to DNA and hundreds of peptide-nucleotide crosslinks pinpointing protein-DNA interfaces with single-amino-acid resolution. Quantitative comparisons of DNA interactomes from differentially treated cells recapitulate the recruitment of key transcription factors as well as DNA repair proteins and uncover fast-acting restrictors of chromatin accessibility on a timescale of minutes. This opens a direct way to explore genomic regulation in a hypothesis-free manner, applicable to many organisms and systems.
KEYWORDS: DNA-binding domains; DNA-binding proteins; DNA-interacting proteome; IDRs; chromatin proteomics; intrinsically disordered regions; mass spectrometry; nucleotide-peptide hybrids; photo-crosslinking; physical protein-DNA interactions; transcription factors
PMID: 40409270
DOI: 10.1016/j.cell.2025.04.037
