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10月24日，我校附屬肺科醫(yī)院/醫(yī)學(xué)院戈寶學(xué)課題組和生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/附屬第一婦嬰保健院毛志勇課題組在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature在線發(fā)表題為“Nuclear cGAS suppresses DNA repair and promotes tumorigenesis”的論文。該研究發(fā)現(xiàn)，胞漿DNA識(shí)別受體cGAS在細(xì)胞發(fā)生DNA損傷時(shí)可轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核，并被招募至DNA損傷位點(diǎn)，通過(guò)干擾PAPR1/Timeless復(fù)合體形成，抑制DNA同源重組修復(fù)（Homologous Recombination Repair），進(jìn)而降低基因組穩(wěn)定性，最終促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。該工作首次系統(tǒng)闡釋了cGAS完全獨(dú)立于DNA識(shí)別的核內(nèi)功能，同時(shí)，為基于干預(yù)cGAS入核開發(fā)新型抗腫瘤藥物奠定了理論基礎(chǔ)。

2013年，美國(guó)科學(xué)院院士陳志堅(jiān)（Zhijian James Chen）教授首次鑒定出胞漿DNA識(shí)別受體環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶（cyclic GMP-AMP synthase，cGAS），這在DNA識(shí)別領(lǐng)域具有里程碑意義。cGAS能夠識(shí)別細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的雙鏈DNA (dsDNA)，包括外源dsDNA（如病毒、細(xì)菌、寄生蟲等）和自身dsDNA（如受損的線粒體DNA、微核DNA、反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子等）。cGAS和dsDNA結(jié)合后催化形成第二信使—環(huán)鳥苷酸-腺苷酸，產(chǎn)生的環(huán)鳥苷酸-腺苷酸會(huì)結(jié)合和激活下游干擾素刺激蛋白STING，進(jìn)而招募絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶TBK1，并激活轉(zhuǎn)錄因子IRF3，最終導(dǎo)致I型干擾素和相關(guān)免疫因子的產(chǎn)生。近年來(lái)，關(guān)于cGAS識(shí)別dsDNA并誘導(dǎo)下游信號(hào)通路激活及I型干擾素生成方面成果不斷涌現(xiàn)。然而，值得注意的，在進(jìn)化上，cGAS的出現(xiàn)先于其調(diào)控的I型干擾素，其是否發(fā)揮DNA識(shí)別介導(dǎo)I型干擾素這一經(jīng)典功能之外的、“不為人知”的作用呢？

研究者首先通過(guò)核質(zhì)分離實(shí)驗(yàn)和免疫熒光實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在DNA損傷（etoposide，camptothecin和H2O2處理）壓力下，大量cGAS快速進(jìn)入到細(xì)胞核內(nèi)。而且，cGAS的DNA識(shí)別能力和酶活性并不參與其入核調(diào)控。有趣的是，cGAS的Y215E突變體在DNA損傷壓力下并不能入核。通過(guò)制備Y215酪氨酸位點(diǎn)磷酸化抗體，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在DNA損傷壓力下cGAS的215酪氨酸位點(diǎn)磷酸化水平顯著下降，說(shuō)明cGAS Y215的磷酸化對(duì)于cGAS胞漿滯留十分重要。研究者進(jìn)一步篩選了89個(gè)酪氨酸激酶shRNA對(duì)GFP-cGAS入核的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)下調(diào)BLK（B-lymphoid tyrosine kinase）表達(dá)可顯著增強(qiáng)cGAS入核，同時(shí)cGAS Y215位點(diǎn)的磷酸化水平降低。研究提示， BLK可促進(jìn)cGAS Y215位點(diǎn)磷酸化使其在細(xì)胞質(zhì)中滯留。此外，研究者發(fā)現(xiàn)cGAS存在一個(gè)保守的核定微信號(hào)序列（Nuclear Localization Sequence, NLS），可通過(guò)與importin α相互作用調(diào)控其轉(zhuǎn)位入核。該研究首次證明cGAS入核是一個(gè)受調(diào)控的過(guò)程。

相較腫瘤細(xì)胞，穩(wěn)定的基因組是健康細(xì)胞的重要標(biāo)記。但是組成基因組的DNA卻可受多種內(nèi)外源因素影響，如該研究中所使用的數(shù)個(gè)化合物均可造成DNA損傷，若修復(fù)DNA損傷的通路出現(xiàn)紊亂，則基因組完整性會(huì)被破壞，促發(fā)腫瘤的發(fā)生。DNA雙鏈斷裂是所有DNA損傷中最為嚴(yán)重的一種，細(xì)胞應(yīng)對(duì)DNA雙鏈斷裂主要有兩條修復(fù)通路，一條是精確的同源重組（Homologous recombination，HR）修復(fù)，另一條是不精確的非同源末端連接（Nonhomologous end joining，NHEJ）修復(fù)。HR修復(fù)通路出現(xiàn)紊亂時(shí)可導(dǎo)致數(shù)個(gè)器官腫瘤發(fā)生概率大大提高，如HR重要調(diào)控基因BRCA1/BRCA2出現(xiàn)突變時(shí)常導(dǎo)致家族性乳腺癌、卵巢癌等癌癥的發(fā)生。為了探究cGAS是否參與到DNA損傷修復(fù)，研究者首先采用多種手段證明了cGAS能夠直接到達(dá)DNA雙鏈損傷位點(diǎn)，接著通過(guò)體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證明了cGAS和γH2AX的相互作用。運(yùn)用報(bào)告載體對(duì)其HR和NHEJ效率進(jìn)行檢測(cè)，過(guò)表達(dá)cGAS能夠抑制HR修復(fù)而對(duì)NHEJ修復(fù)卻沒有影響。類似的，cGAS敲除之后會(huì)促進(jìn)HR修復(fù)，且并非通過(guò)影響細(xì)胞周期發(fā)揮作用。研究者同時(shí)檢測(cè)了HR修復(fù)通路中的重要蛋白R(shí)AD51和RPA2的招募，發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)cGAS確實(shí)能夠減弱這兩個(gè)蛋白的招募。特別值得一提的是，cGAS對(duì)HR修復(fù)的抑制作用并不依賴于IFN-β以及cGAS的DNA識(shí)別功能，提示cGAS對(duì)HR的抑制作用是一條完全獨(dú)立于其DNA識(shí)別功能的通路。

為了探究cGAS抑制HR修復(fù)的機(jī)制，通過(guò)質(zhì)譜分析，研究者們把目標(biāo)聚焦到了聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶-1[poly（ADP-ribose）polymerase-1，PARP-1]上。PARP1是存在于真核細(xì)胞中催化聚ADP核糖化的細(xì)胞核酶，在DNA修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。PARP抑制劑是第一種成功利用合成致死 (Synthetic Lethality) 概念獲得批準(zhǔn)在臨床使用的靶向DNA修復(fù)的抗癌藥物。后續(xù)的co-IP實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了cGAS和PARP1存在于同一復(fù)合體中。體外實(shí)驗(yàn)證明cGAS與PARP1沒有直接的相互作用，而是PAR介導(dǎo)其互作，并進(jìn)一步通過(guò)阻礙Timeless和PARP1復(fù)合體的形成而抑制HR修復(fù)。

HR修復(fù)常常和腫瘤的形成密切相關(guān)，為了探究cGAS對(duì)HR修復(fù)的這種抑制作用對(duì)腫瘤細(xì)胞的增殖的影響，研究者們分別在LLC細(xì)胞（一種小鼠的肺癌細(xì)胞）敲降cGAS觀察細(xì)胞的增殖情況，發(fā)現(xiàn)cGAS敲降可顯著降低細(xì)胞的增殖能力。同樣，在PC9細(xì)胞里過(guò)表達(dá)cGAS能夠促進(jìn)細(xì)胞的增殖。體內(nèi)的小鼠成瘤實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證明cGAS能夠促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。同時(shí)，研究者們用軟瓊脂克隆形成實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了cGAS能夠促進(jìn)正常細(xì)胞的成瘤性，即cGAS通過(guò)抑制細(xì)胞的HR修復(fù)使得基因組不穩(wěn)定性增加，進(jìn)而增加腫瘤生成的風(fēng)險(xiǎn)。

總之，文章發(fā)現(xiàn)了cGAS一個(gè)全新的功能—即能夠抑制HR修復(fù)和促進(jìn)腫瘤的形成。以往對(duì)cGAS的認(rèn)識(shí)都是集中在免疫上，即cGAS作為一個(gè)DNA受體，能夠?qū)ν饨绮≡⑸镆约鞍|(zhì)內(nèi)自身的DNA進(jìn)行識(shí)別并激發(fā)免疫系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行清除，對(duì)其的生理過(guò)程研究也只是在胞質(zhì)內(nèi)，包括其對(duì)破裂的微核進(jìn)行識(shí)別，而cGAS在DNA損傷壓力下能夠進(jìn)入到細(xì)胞核內(nèi)并直接到達(dá)DNA損傷位點(diǎn)并參與DNA雙鏈斷裂損傷修復(fù)還是首次被發(fā)現(xiàn)，因此這篇文章也將cGAS的功能推向了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。

同濟(jì)大學(xué)附屬肺科醫(yī)院劉海鵬副研究員、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生張海萍以及醫(yī)學(xué)院博士研究生吳向陽(yáng)為本文的共同第一作者。戈寶學(xué)教授以及毛志勇教授為本文的共同通訊作者。研究工作同時(shí)得到復(fù)旦大學(xué)、湘雅醫(yī)學(xué)院、德國(guó)馬普感染生物學(xué)研究所等研究團(tuán)隊(duì)支持。研究由科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及上海市科委等資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0629-6

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