容易出错的酶在应激细胞中复制无错DNA,GlcNAc糖

来源:http://www.020tL.com 作者:云顶集团官方网站 人气:156 发布时间:2019-09-22
摘要:DNA总是受到内源或外源环境中多种损伤因子的攻击,例如DNA复制错误、细胞代谢产物、电离辐射、紫外线照射和化疗试剂等,这些因素都会引起DNA损伤的产生。如果不能够及时有效修复

DNA总是受到内源或外源环境中多种损伤因子的攻击,例如DNA复制错误、细胞代谢产物、电离辐射、紫外线照射和化疗试剂等,这些因素都会引起DNA损伤的产生。如果不能够及时有效修复DNA损伤,将导致基因组不稳定性,进而诱发多种人类疾病,如肿瘤、神经退行和出生缺陷。为维持基因组稳定性,生物体进化出一套保护机制来监控DNA损伤并及时修复,这一机制即为DNA损伤应答。

REV1是真核生物一种特殊的DNA聚合酶,其可以作为一个有效靶标用于肿瘤治疗,降低REV1水平不仅能增强肿瘤细胞对化疗的敏感性,还能有效降低肿瘤细胞耐药性的产生。前期研究显示REV1能参与跨损伤DNA合成并引发基因组突变。最近一些研究发现,在出芽酵母、鸡DT40细胞、黑腹果蝇细胞及人类细胞中REV1参与DNA双链断裂的同源重组。然而关于REV1是如何被招募到HR位点及其确切功能还很不清楚。

有时,复制的细胞必须从两种害处中选择较轻的一种。例如,当一个复制细胞受到压力时,它可能会挣扎着将碱基与单链DNA 模板配对,即使该模板是完美无缺的。面对DNA链不被复制的风险,细胞可能会求助于一种简便的权宜之计。与其等待高度精确的DNA聚合酶,细胞可能需要一种更快速但容易出错的替代物——诱变修复。

近日,中国科学院昆明动物研究所郑萍课题组在多能干细胞遗传物质稳定性调控研究中取得进展,相关研究成果以Mouse embryonic stem cells have increased capacity for replication fork restart driven by the specific Filia-Floped protein complex为题,在线发表在Cell Research上。该工作首次揭示了多能干细胞以独特的机制高效处理DNA复制压力,从而在快速分裂中有效维持遗传物质稳定性。

中国科学院北京基因组研究所郭彩霞研究组与中科院动物研究所唐铁山研究组合作,通过质谱技术发现跨损伤合成DNA聚合酶Polη第457位苏氨酸能发生一种新的蛋白质翻译后修饰:氧连糖基化修饰(O-GlcNAcylation)。已知在紫外线辐射或顺铂等化疗试剂暴露条件下,跨损伤合成DNA聚合酶Polη被招募到复制叉处替换高保真性DNA复制酶,在相应的损伤DNA模板对侧整合正确的核苷酸,从而促进复制叉的继续前行。但与高保真的DNA复制酶相比,Polη复制未损伤DNA模板的错误率显著升高(10-2~10-3),极易导致遗传信息不能够正确地从亲代细胞传递到子代细胞中,因此它到复制叉的招募和移除必须受到严格调控,然而关于Polη在TLS完成后如何从复制叉解离尚不清楚。研究发现,干扰Polη的氧连糖基化修饰虽不影响其被招募到受阻复制叉处及其在损伤DNA模板对侧整合核苷酸的能力,但显著削弱Polη与CRL4CDT2 E3泛素连接酶之间的相互作用,降低第462位赖氨酸的多泛素化修饰水平,进而抑制p97-UFD1-NPL4复合体所介导的Polη与复制叉分离的过程,导致细胞内突变率上升、细胞对紫外线和顺铂试剂敏感性增强、DNA复制叉移动速率变缓等。该项研究工作揭示了Polη 氧连糖基化修饰与泛素化修饰之间的互作关系,以及DNA复制过程中多种DNA聚合酶转换的分子机制。Polη在多种肿瘤细胞中表达显著升高,与顺铂等化疗药物的耐药性产生密切相关,也与非小细胞肺癌患者的生存期呈负相关。

近日,中国科学院北京基因组研究所精准基因组医学重点实验室郭彩霞研究组和动物研究所生物膜国家重点实验室唐铁山研究组合作发现,在复制压力存在下,REV1和FANCD2能协同作用保护新复制的DNA链免受核酸酶的降解,该研究成果在Nucleic Acids Research在线发表。

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云顶集团官方网站,干细胞在再生医学中的应用前景巨大,遗传物质稳定是其安全应用的前提。和分化细胞相比,干细胞的细胞周期短,DNA复制频繁,且细胞周期中G1期十分短暂,并缺乏G1细胞周期检查点,这些特征使干细胞在DNA复制中面临巨大的复制压力。复制压力是内源性DNA损伤和基因组不稳定的主要来源,有效处理复制压力是细胞维持遗传物质稳定性的重要途径。目前,干细胞如何有效处理复制压力尚不清楚。

该发现首次报道氧连糖基化修饰参与调控细胞跨损伤合成过程并维持基因组稳定性,从DNA损伤应答角度揭示了对营养水平敏感的氧连糖基化修饰调控基因组稳定性和肿瘤耐药性的分子机制,为解决顺铂等化疗药物的耐药性提供新的思路和策略,有望改善部分肿瘤患者的生存状况。

该研究首先回转REV1到敲低细胞证实了REV1确实直接参与HR,进而通过特异设计的报告系统发现了REV1参与复制依赖的HR;利用激光显微辐射系统在细胞核内定点诱发DNA双链断裂,发现REV1可以被招募到DSBs,这种招募依赖于REV1泛素结合结构域、RAD18及单泛素化的FANCD2;在RAD18敲低的稳定细胞系中表达FANCD2-Ub嵌合体蛋白会增加REV1在DSBs的招募,揭示单泛素化的FANCD2作为RAD18的下游蛋白负责招募REV1到损伤位点;此外,REV1在激光造成的DNA损伤位点处的招募还受BRCA1和BRCA2调控;特别地,利用IdU和CIdU标记新合成的DNA链,通过DNA fiber实验发现在羟基脲或喜树碱处理后,REV1能保护新生DNA链不被核酸酶降解,维持受阻复制叉的稳定。

是的,依赖于翻译合成 DNA聚合酶的诱变修复,甚至在DNA没有突变的情况下也可能侵入。这一发现来自多伦多大学,那里的科学家注意到,在压力下,酵母细胞产生的复制错误远远超过预期。这些错误的发生,是因为酵母细胞被剥夺了足够的核苷酸碱基的供应,也可能发生在我们自己的细胞,导致癌症和其他疾病。

郑萍课题组研究了多能干细胞对DNA复制压力的处理能力及分子机制。通过系统比较小鼠胚胎干细胞和不同类型的快速分裂的分化细胞,发现多能干细胞具有高效的复制压力处理能力,能有效重启受阻复制叉,并找到了调控复制叉高效重启的干细胞特有的蛋白复合体Filia-Floped,阐述了其作用机制。具体讲,Filia和Floped形成蛋白复合体,常态性结合在复制叉上。当复制叉受阻时,Filia-Floped蛋白复合物大量聚集到受阻复制叉上,并在蛋白激酶ATR(调控复制压力反应的核心激酶)的调控下,Filia的第151位丝氨酸发生磷酸化,使Filia-Floped复合体形成有功能的脚手架。该脚手架进而通过两条独立的途径高效调控复制叉重启。一方面,脚手架蛋白招募E3泛素化酶Trim25到受阻复制叉上,Trim25通过催化其底物Blm(促进复制叉重启的关键解旋酶)发生泛素化修饰,从而招募大量的Blm到受阻复制叉上调控复制叉重启;另一方面,脚手架蛋白能通过未知机制高效激活ATR激酶活性调控复制叉重启。因此,多能干细胞通过在复制叉上增添Filia-Floped脚手架,它以类似海绵的作用,迅速富集大量的复制叉维护和修复因子到受阻复制叉上,从而高效维持复制叉稳定和重启。

研究工作以Polη O-GlcNAcylation governs genome integrity during translesion DNA synthesis为题,在线发表在Nature Communications上。研究工作获得了国家自然科学基金委、科技部等的资助。

该研究成果表明REV1在DNA损伤应答中发挥多种重要功能,完善了其作为肿瘤治疗靶标的理论基础。

由Grant W. Brown博士领导的多伦多大学的科学家们提出,诱变修复及其易出错的聚合酶可以复制比我们想象的更多的DNA,而这些聚合酶可能是致病突变的来源。

研究工作得到了国家重点研发计划干细胞及转化研究专项等的资助。

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该工作受到中国科学院、科技部和国家自然科学基金委的资助,得到了北京蛋白质组研究中心研究员裴华东、西南医学中心放射肿瘤系Benjamin Chen和荷兰莱顿大学Niles de Wind课题组等的大力支持。

科学家们工作的细节发表在2月4日的《分子细胞》杂志上,在一篇题为《Rad5招募易出错的DNA聚合酶,对未受损模板上的ssDNA缺口进行诱变修复》的文章中。这篇文章指出,通常情况下,当检测到物理损伤时,TLS在复制后修复(post-replication repair, PRR)中被激活。这种损害可能是由紫外线或致癌化学物质引起的。然而,PPR也可能被激活来修复损伤较少的复制应激引起的ssDNA。

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这篇文章的作者写道:“我们发现,PRR对DNA复制压力的反应不会导致基础损伤。”在正常的S期和暴露于DNA碱基损伤可能不存在的复制应激类型之后,Rad5形成核病灶。Rad5结合到DNA复制叉的应力位点,在那里它招募TLS聚合酶来修复ssDNA缺口,防止有丝分裂缺陷和染色体断裂。

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O-GlcNAc糖基化修饰调控Polη与复制叉解离的分子机制示意图

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这一发现让布朗和做了大部分工作的博士生大卫·加洛大吃一惊。他们研究的是在有限供应的核苷酸碱基作用下培养的细胞中的DNA复制。你可以把它想象成你的车没油了。我们正在从DNA复制中去除气体。例如,当食物匮乏或疾病缠身,资源被快速增殖的癌细胞耗尽时,细胞可能会遇到这种压力。

复制叉上Filia-Floped蛋白复合体的作用模式图

REV1保护新生DNA链免受核酸酶降解

细胞基因组的复制,首先放松双DNA螺旋成单股,其中每个链作为模板,通过互补的碱基配对新的DNA合成,与T、C与g .这通常是由DNA聚合酶酶的“超级准确,只会让错误很少,以确保生活的蓝图和高保真传递给下一代,”布朗说。

但是DNA构建块的缺乏导致细胞需要另一种更容易出错的DNA聚合酶。这种权宜之计,诱变修复,似乎是保存DNA的一种奇怪的方式,但它有助于避免更糟的基因组破坏情况,即DNA链解开可能导致部分染色体丢失。

布朗强调说:“复制并犯一些错误总比不复制、听任染色体重排要好,而染色体重排对细胞的危害要大得多。”

“与普遍的PRR观点相反,”这篇分子细胞文章的作者总结道,“我们的数据表明,Rad5促进了在生理和外源性复制应激期间产生的未受损ssDNA的诱变和无错误修复。”这一发现可能会对癌症研究产生影响。

我们的细胞也有同样容易出错的DNA复制机制。当DNA复制速度超过核苷酸供应时,快速增殖的癌细胞通常会经历所谓的致癌基因诱导的复制压力,当它们耗尽燃料时。在这些条件下,细胞可能会求助于容易出错的DNA复制,在这种情况下,新的突变可能会帮助癌症存活,尽管这仍有待于未来研究的证实。

“在致癌基因诱导的复制应激过程中,易于出错的DNA复制通路很可能被激活,以帮助癌细胞存活,”加洛指出。“这将使选择性杀死癌细胞成为热门的治疗目标。”

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