Biochemical and Biophysical Insights into UV-DDB / PARP1 Crosstalk During DNA Repair

Abstract

The maintenance of genome integrity is essential for cellular survival and the prevention of oncogenic transformation. Cells are equipped with multiple DNA repair pathways, each specialized for resolving distinct types of lesions. Nucleotide excision repair (NER) efficiently removes bulky, helix-distorting adducts, while base excision repair (BER) handles small, non-helix-distorting modifications such as oxidized or alkylated bases. Despite this division of labor, evidence is emerging that early sensors from distinct pathways may converge on common substrates and coordinate their functions. UV-damaged DNA-binding protein (UV-DDB), a heterodimer composed of DDB1 and DDB2, is a key lesion recognition factor in global genome NER, while poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) is a pivotal DNA damage sensor and signaling enzyme in BER. Both are capable of detecting abasic sites, raising the possibility of functional interplay at these lesions. This study investigates the potential crosstalk between UV-DDB and PARP1 at abasic DNA sites, focusing on whether their activities are cooperative or competitive, and how PARP1-mediated PARylation modulates UV-DDB binding. Recombinant full-length UV-DDB and PARP1 were successfully expressed in insect cells and purified to near-homogeneity. Binding assays confirmed that UV-DDB tightly associates with abasic DNA, whereas this interaction is weakened in the presence of PARylated PARP1, suggesting a PAR-dependent regulatory effect. Together, these results suggest that PARP1 can function as both a competitor and modulator of UV-DDB at abasic sites. PARylation appears to serve as a molecular switch that facilitates the timely displacement of UV-DDB, potentially enabling repair progression or factor exchange. This work provides new insights into the dynamic coordination between BER and NER pathways at shared DNA lesions and underscores the importance of post-translational modification in orchestrating DNA repair events.;유전체의 안정성 유지는 세포 생존과 암화 억제를 위해 필수적인 과정이다. 세포는 다양한 유형의 DNA 손상을 인식하고 복구하기 위해 여러 종류의 DNA 복구 경로를 갖추고 있으며, 각각의 경로는 특정한 손상 유형에 특화되어 있다. 예를 들어, 뉴클레오타이드 절제 복구(NER)는 헬릭스 구조를 왜곡시키는 큰 손상 부위를 제거하는 데 효과적이며, 염기 절제 복구(BER)는 산화되거나 알킬화된 염기와 같은 작은 비왜곡 손상을 주로 처리한다. 그러나 최근 연구들은 각 복구 경로의 초기 인식 인자들이 손상 유형에 따라 경계를 넘나들며 공통된 기질에서 기능적으로 협력할 수 있음을 시사하고 있다. UV 손상 DNA 결합 단백질(UV-DDB)은 DDB1과 DDB2로 이루어진 이합체로서, 전사 전 영역에서 NER의 초기 손상 인식 인자로 작용하며, PARP1(poly(ADP-ribose) polymerase 1)은 BER 경로에서 중심적인 손상 인지 및 신호전달 효소이다. 두 단백질 모두 abasic site(염기 소실 부위)를 인식할 수 있는 능력이 있으며, 이로 인해 두 복구 인자 간 기능적 상호작용 가능성이 제기되고 있다. 본 연구에서는 abasic site를 포함한 DNA를 기반으로 UV-DDB와 PARP1 간의 상호작용 기전을 규명하고자 하였다. 재조합 전체 길이 UV-DDB와 PARP1 단백질을 곤충 세포에서 발현·정제한 후, 다양한 생화학적 분석을 통해 두 단백질의 결합 양상을 조사하였다. 그 결과, UV-DDB는 abasic DNA에 대해 높은 친화력을 보였으며, PARylation된 PARP1이 존재할 경우 UV-DDB의 결합이 유의하게 약화되는 양상을 보였다. 이는 PARP1에 의해 매개된 PARylation이 UV-DDB의 DNA 결합을 조절할 수 있음을 시사한다. 이러한 결과는 PARP1이 UV-DDB에 대해 경쟁자이자 조절인자로 작용할 수 있음을 보여주며, PARylation이 손상 인식 단백질 간의 동적 hand-off를 유도하는 분자적 스위치 역할을 할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 BER과 NER 간의 경로 간 협력 가능성을 제시하며, 복잡한 손상 상황에서의 DNA 복구 경로 선택과 타이밍 조절에 대한 새로운 통찰을 제공한다.