陳學(xué)峰/張興華課題組合作揭示細胞維持高保真DNA復(fù)制和修復(fù)的新機制
2021年6月20日，美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）在線發(fā)表了武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細胞穩(wěn)態(tài)湖北省重點實驗室陳學(xué)峰課題組和張興華課題組的合作研究論文 (PNAS, 2021,118(25): e2106393118. doi: 10.1073/pnas.2106393118)，題目為 “Rtt105 promotes high-fidelity DNA replication and repair by regulating the single-stranded DNA binding factor RPA”。該研究以模式生物釀酒酵母Ty1轉(zhuǎn)座子調(diào)節(jié)蛋白Rtt105為突破點，揭示了真核細胞通過調(diào)控RPA復(fù)合物與單鏈DNA(ssDNA)的動態(tài)結(jié)合來促進高保真的DNA復(fù)制與修復(fù)。
高保真的DNA復(fù)制與修復(fù)對于維持細胞基因組穩(wěn)定性和正常生理功能至關(guān)重要，復(fù)制或修復(fù)異常會導(dǎo)致基因突變和基因組不穩(wěn)定，引起細胞發(fā)生癌變或死亡。在DNA復(fù)制、修復(fù)和重組過程中，DNA雙鏈結(jié)構(gòu)都需要被打開，暴露出ssDNA，但ssDNA不穩(wěn)定，容易被核酸酶降解。在真核生物中，RPA復(fù)合物特異性結(jié)合并保護ssDNA，消除所形成的二級結(jié)構(gòu)，防止突變，促進DNA復(fù)制與修復(fù)。RPA-ssDNA形成的復(fù)合物是染色質(zhì)上最常見的關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物之一。近年來的研究發(fā)現(xiàn)RPA能夠以不同的方式與ssDNA動態(tài)結(jié)合，但是RPA與ssDNA動態(tài)結(jié)合的生物學(xué)意義以及對于DNA復(fù)制和修復(fù)的影響仍不清楚。
過去已發(fā)表的工作顯示釀酒酵母轉(zhuǎn)座子調(diào)節(jié)蛋白Rtt105與RPA相互作用，促進RPA轉(zhuǎn)運進入細胞核，同時通過調(diào)控RPA在復(fù)制叉處的結(jié)合來促進DNA復(fù)制 (Li et al, EMBO J, 2018，北大李晴教授課題組)。本研究主要集中于探索Rtt105在預(yù)防基因組突變以及DNA修復(fù)中的功能與機制。在本研究中，作者首先發(fā)現(xiàn)在Rtt105缺失的細胞中DNA自發(fā)突變顯著升高。值得關(guān)注的是，有２５％的突變細胞中出現(xiàn)特征性的微同源介導(dǎo)的大片段DNA缺失(deletion)，６％的突變細胞含有微同源介導(dǎo)的大片段DNA重復(fù)(duplication)，并且發(fā)現(xiàn)這些事件與重組蛋白Rad59有關(guān)。同時，作者發(fā)現(xiàn)Rtt105 缺失還導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂修復(fù)方式發(fā)生變化，保真性較高的基因轉(zhuǎn)換 (Gene conversion)和損傷誘導(dǎo)復(fù)制(Break-induced replication)途徑受損，而有害的單鏈融合(Single-strand annealing)和微同源末端連接 (Micro-homology end joining) 修復(fù)比例增加。進一步，作者發(fā)現(xiàn)這些缺陷主要是由RPA在染色質(zhì)DNA上結(jié)合減少所致，而并不是因為RPA核定位發(fā)生改變引起的。利用生化和單分子磁鑷技術(shù)，作者證明了Rtt105與RPA之間的直接相互作用有利于促進RPA在ssDNA上的快速動態(tài)結(jié)合。隨后，作者確定了RPA復(fù)合物中與Rtt105相互作用的關(guān)鍵氨基酸位點，并利用此功能分離的點突變菌株證明了Rtt105缺失導(dǎo)致的表型主要是通過調(diào)控RPA來實現(xiàn)的。因此，作者得出結(jié)論：Rtt105對RPA結(jié)合ssDNA的動態(tài)調(diào)控不僅有利于促進高保真的DNA復(fù)制，防止突變，還有利于細胞選擇保真性較高的修復(fù)方式進行DNA修復(fù)。最后，作者發(fā)現(xiàn)人類 RPA 相互作用蛋白 hRIPα（Rtt105 的潛在功能同源蛋白）也能夠促進RPA在ssDNA上的組裝，暗示了上述調(diào)節(jié)機制在進化上的保守性。上述研究揭示了真核細胞確保高保真DNA復(fù)制和修復(fù)的新機制，也為闡明人類疾病中出現(xiàn)的特征性大片段基因組DNA缺失或重復(fù)提供了理論解釋。
武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生王雪杰、董洋和趙曉聰為該論文共同第一作者，生命科學(xué)學(xué)院陳學(xué)峰教授和張興華教授為共同通訊作者。貝勒醫(yī)學(xué)院Grzegorz Ira教授、北京大學(xué)李晴教授、中國科技大學(xué)蔡剛教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)侯錫苗教授和河南大學(xué)武文強副教授參與了研究。該項研究受到國家自然科學(xué)基金委面上項目的資助。
圖1. ?Rtt105在維護基因組穩(wěn)定性過程中的作用與機制
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