研究揭示DNA聚合酶ε調(diào)控topoR-loop維持基因組穩(wěn)定性的機制

DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化可調(diào)控R-loop的動態(tài)平衡，與基因組穩(wěn)定性密切相關(guān)¹。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶1（TOP1）作為真核生物高度保守的拓?fù)洚悩?gòu)酶，其特異性抑制劑CPT（camptothecin）可誘導(dǎo)基因組R-loop的積累，并導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定^1,2。然而，目前對于基因組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化如何影響R-loop水平進(jìn)而調(diào)控基因組穩(wěn)態(tài)的機制仍然未知。

2023年11月27日，清華大學(xué)生命學(xué)院孫前文實驗室在《自然·通訊》(Nature Communications)期刊上發(fā)表了題為“DNA聚合酶ε協(xié)調(diào)基因組拓?fù)錉顟B(tài)和R-loop的形成以保持?jǐn)M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(diào)控topoR-loop動態(tài)變化和DNA復(fù)制進(jìn)程，進(jìn)而維持基因組完整性的分子機制。

作者首先在擬南芥中應(yīng)用TOP1抑制劑（TOP1i, TOP1 inhibitor）建立了一個反映R-loop水平與基因組拓?fù)錉顟B(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)CPT處理可顯著促進(jìn)根尖組織中基因組R-loop（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變導(dǎo)致的R-loop變化，簡稱為topoR-loop）水平和DNA斷裂標(biāo)記γH2AX水平的升高，并最終抑制根生長。利用CPT進(jìn)行反向遺傳篩選發(fā)現(xiàn)DNA損傷修復(fù)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(yán)重抑制。在atm突變體基礎(chǔ)上利用該系統(tǒng)篩選鑒定出負(fù)責(zé)先導(dǎo)鏈合成的DNA聚合酶ε催化亞基POL2A的突變，可恢復(fù)atm中TOP1i誘導(dǎo)的topoR-loop積累和DNA損傷。深入研究發(fā)現(xiàn)pol2a可抑制DNA復(fù)制起始位點附近topoR-loop的積累，并降低CPT處理后正在進(jìn)行DNA復(fù)制的細(xì)胞中的DNA損傷水平。該研究表明，DNA聚合酶ε可響應(yīng)基因組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，協(xié)同調(diào)控R-loop動態(tài)變化和DNA復(fù)制進(jìn)程，從而維持基因組的完整性。該發(fā)現(xiàn)對深入理解人類癌癥化療過程中ATM缺陷導(dǎo)致TOP1i靶向藥物耐藥性的機制提供了重要信息，同時為聯(lián)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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