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王嘉东课题组Molecular Cell发文揭示放射损伤修复调控新机制

发布日期:2019-07-28    浏览次数:

 

 

染色体的完整性和遗传信息的精准传递对于细胞以及个体而言至关重要,而放射损伤所导致的DNA双链断裂会直接导致染色体的断裂、丢失和重排,如不能及时修复则会导致细胞的死亡或者癌变。

 

 

MRN(MRE11/RAD50/NBS1)复合体在放射损伤修复通路中扮演着重要的角色,该复合体作为DNA损伤的“感应器”最先识别DNA双链断裂的位点:一方面,MRN可以引起ATM磷酸化级联反应,激活细胞周期检验点;另一方面,MRN作为具有催化活性的核酸酶,直接参与DNA损伤的修复过程。MRN中的任何一个成员的缺失和突变都会导致基因组的不稳定性和疾病的发生,例如共济失调-毛细血管扩张样疾病等。因此,MRN复合物的活性必须受到非常精确的调控。MRE11兼具核酸内切酶和外切酶的活性。然而,在正常情况下,为了保护完整DNA免受核酸酶的切割,MRE11的活性是如何被限制的?以及在发生DNA双链断裂时,MRE11又是如何被释放的?目前还不清楚。这也是困扰放射损伤修复研究领域的关键科学问题之一。

2019年7月25日,北京大学基础医学院王嘉东课题组在Molecular Cell期刊上发表了题为“C1QBP Promotes Homologous Recombination by Stabilizing MRE11/RAD50 and Controlling the Assembly and Activation of MRE11/RAD50/NBS1 Complex”的论文,揭示了C1QBP通过调控MRN影响放射损伤修复的新功能。

该项研究首先通过质谱的方法寻找可能和MRN复合体相互作用的分子。有趣的是,C1QBP这个分子同时出现在了MRE11和RAD50的质谱结果中,而没有出现在NBS1的质谱结果中,于是研究人员猜测细胞中可能存在一种独立于MRN(MRE11/RAD50/NBS1)的新型复合体MRC(MRE11/RAD50/C1QBP)。细胞内组分分离实验进一步研究证实了MRC复合体的存在。接下来,研究人员发现C1QBP通过结合MRE11的GAR结构域抑制其结合DNA的能力,进而限制其核酸外切酶活性。GAR结构域富含甘氨酸和精氨酸,研究人员通过分析数据库发现该结构域具有肿瘤相关突变位点R572Q和R576Q,且实验结果显示这两个位点的突变严重影响了C1QBP和MRE11之间的相互作用,提示MRE11和C1QBP之间的结合对于维持基因组的稳定性和防止肿瘤的发生至关重要。

既然C1QBP在正常情况下抑制MRE11的核酸酶活性(防止MRE11过度切割DNA),那么在DNA损伤的情况下,C1QBP又是如何释放MRE11进而发挥作用的?研究人员运用了以CPT为代表的可以诱导DNA损伤的药物,发现在DNA损伤发生时,MRE11会和C1QBP迅速分离,而这一过程的发生取决于ATM对MRE11上两个丝氨酸位点(S676和S678)的磷酸化。进一步的细胞实验表明,C1QBP在细胞行使DNA损伤修复的功能、耐受损伤诱导因子的刺激等方面发挥着重要的作用。

最后,研究人员提示C1QBP可以作为抗肿瘤治疗的一个潜在作用靶点。研究人员发现MRE11和C1QBP在肿瘤组织中均表现为高表达,且存在相关性;数据库分析也发现C1QBP的高表达和化疗药物Topotecan治疗过的卵巢癌病人的不良预后相关联。

总之,该研究揭示了C1QBP调控MRN复合体动态组装、DNA损伤修复的具体分子机制(如图所示)。一方面,C1QBP通过抑制MRE11的酶活,防止其对DNA的过度切割;另一方面,C1QBP又可以和MRE11/RAD50形成稳定的复合体,以防止MRE11/RAD50通过蛋白酶体途径降解。在发生DNA损伤时,C1QBP迅速释放MRE11,这个过程取决于ATM激酶介导的MRE11的磷酸化。

北京大学基础医学院的2018级博士生白永泰、王维斌副研究员、2014级基础八年制博士生李思煜和战军副教授为共同第一作者,北京大学基础医学院王嘉东研究员为通讯作者。北京大学罗建沅教授、张宏权教授,University of Texas Health Science Center的Patrick Sung教授,深圳大学许兴智教授、朱卫国教授对该研究给予了很大帮助。该研究得到科技部重点研发计划,国家自然科学基金,北京市自然科学基金以及北京大学等项目的经费资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.06.023