美國喬治亞州立大學的科學家們利用Summit超級計算機研究了一種名為核苷酸切除修復（NER）的復雜分子途徑。這項研究揭示了受損DNA鏈是如何通過這種分子途徑修復的，即核苷酸斷裂修復。

NER的蛋白質成分可以改變形狀，以對斷裂的DNA鏈執行不同的修復功能。
喬治亞州立大學的這個科學家團隊建立了一個名為切前復合物（PInC）的關鍵NER成分的計算機模型，該成分在NER通路的后期階段對DNA修復過程起著關鍵作用。
解碼NER復雜的事件序列和PInC在該通路中的作用，可以為開發新療法和預防導致過早衰老和某些類型癌癥的疾病提供關鍵理解。

NER修復各種不同的DNA損傷

這一研究有望幫助科學家理解身體如何修復和保護自己免受DNA損傷。它還有可能幫助研究人員治療遺傳疾病和危及生命的疾病，如癌癥。

喬治亞州立大學的化學教授伊瓦伊洛·伊萬諾夫表示：“我們對細胞修復遺傳物質的方式感興趣?！?br/>NER是一種多功能的途徑，通過依賴微妙平衡的分子機制的三階段過程修復各種不同的DNA損傷。困難的是，有害的突變可能會干擾這種機制，并導致嚴重的人類疾病。
伊萬諾夫強調，基因突變的影響可能因其在修復復合體中的位置而顯著不同。

研究團隊使用了NAMD

研究人員了使用納米級分子動力學（NAMD），這是一個專門為超級計算機設計的分子動力學代碼 。它用于模擬包含數百萬個原子的大型生物分子系統的運動和相互作用。團隊利用 NAMD進行了廣泛的模擬。
參加研究的科學家們透露，200 petaflop Summit超級計算機的計算能力——每秒可以執行20萬億次計算——對于在微秒的時間尺度上解構PInC復雜系統的功能動力學至關重要。

伊萬諾夫強調，模擬顯示了PInC機械的復雜性質?！八蛭覀冋故玖诉@些不同的組件如何作為模塊一起移動，以及如何將這個復雜系統細分為動態群組，這些群組構成了這臺機器的運動部件?！?br/>模擬使研究人員能夠集中注意力于這些重要區域，因為干擾NER復合體功能的突變通常發生在社區界面，這是機器最動態的區域?，F在他們對這些障礙的表現方式和來源有了更好的理解。”

NER的三個不同的階段

科學家們還揭示，NER分為三個不同的階段:識別、驗證和修復。每個階段都需要不同組的蛋白質來執行特定的功能，就像一個創傷團隊需要不同的專家在急診室治療受傷的病人一樣。通過這種方式，NER機器可以根據手頭的任務進行適應和改變其形狀。
在第一階段，NER蛋白XPC（著色性干皮病C組）像一個第一響應者，定位受損DNA或病變的位置，然后扭曲DNA螺旋，使損傷可訪問。XPC 然后調用其他修復蛋白來幫助啟動第二階段，稱為損傷驗證，或病變掃描。
研究人員還揭示，XPF和XPG基因的突變會導致嚴重的人類遺傳疾病。這些疾病包括著色性干皮病，這是一種使人們更容易患皮膚癌的疾病，以及科凱恩綜合癥，這會影響人類的生長發育，導致聽力和視力受損，并加速衰老過程。
伊萬諾夫說:“模擬使我們能夠集中注意力于這些重要區域，因為干擾NER復合體功能的突變通常發生在社區界面，這是機器最動態的區域?，F在我們對這些障礙的表現方式和來源有了更好的理解?！?br/>大多數分子動力學模擬都是在Summit上執行的。然而，在工作6年后，Summit于2024年底退役。展望未來，伊凡諾夫和他的團隊計劃使用Summit的繼任者Frontier，該超級計算機在2022年上線時首次亮相，為世界上最強大的超級計算機。
現在，他們在Frontier上的工作將涉及研究轉錄偶聯NER，這是一種DNA修復過程，修復主動轉錄基因的損傷，以確保必需的蛋白質能夠繼續產生。