研究揭示DNA聚合酶ε調控topoR-loop維持基因組穩定性的機制

DNA拓撲結構變化可調控R-loop的動態平衡，與基因組穩定性密切相關¹。DNA拓撲異構酶1（TOP1）作為真核生物高度保守的拓撲異構酶，其特異性抑制劑CPT（camptothecin）可誘導基因組R-loop的積累，并導致基因組不穩定^1,2。然而，目前對于基因組拓撲結構變化如何影響R-loop水平進而調控基因組穩態的機制仍然未知。

2023年11月27日，清華大學生命學院孫前文實驗室在《自然·通訊》(Nature Communications)期刊上發表了題為“DNA聚合酶ε協調基因組拓撲狀態和R-loop的形成以保持擬南芥基因組的完整性”(DNA polymerase ε harmonizes topological states and R-loops formation to maintain genome integrity in Arabidopsis)的研究論文³，揭示了擬南芥中DNA聚合酶ε參與調控topoR-loop動態變化和DNA復制進程，進而維持基因組完整性的分子機制。

作者首先在擬南芥中應用TOP1抑制劑（TOP1i, TOP1 inhibitor）建立了一個反映R-loop水平與基因組拓撲狀態的監測系統，發現CPT處理可顯著促進根尖組織中基因組R-loop（拓撲結構發生改變導致的R-loop變化，簡稱為topoR-loop）水平和DNA斷裂標記γH2AX水平的升高，并最終抑制根生長。利用CPT進行反向遺傳篩選發現DNA損傷修復激酶ATM的突變對CPT尤其敏感，基因組R-loop水平積累尤為顯著，根的生長受到嚴重抑制。在atm突變體基礎上利用該系統篩選鑒定出負責先導鏈合成的DNA聚合酶ε催化亞基POL2A的突變，可恢復atm中TOP1i誘導的topoR-loop積累和DNA損傷。深入研究發現pol2a可抑制DNA復制起始位點附近topoR-loop的積累，并降低CPT處理后正在進行DNA復制的細胞中的DNA損傷水平。該研究表明，DNA聚合酶ε可響應基因組拓撲結構變化，協同調控R-loop動態變化和DNA復制進程，從而維持基因組的完整性。該發現對深入理解人類癌癥化療過程中ATM缺陷導致TOP1i靶向藥物耐藥性的機制提供了重要信息，同時為聯合使用DNA損傷藥物和分層治療提供可能的新策略。

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