PNAS：研究揭示真核细胞维持DNA复制叉稳定的核心机制

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PNAS：研究揭示真核细胞维持DNA复制叉稳定的核心机制! N1 {0 x' l' x, f4 y
来源：北京大学 2021-06-20 12:57
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北京大学生命科学学院孔道春实验室在美国科学院期刊PNAS在线发表了题为“The intra-S phase checkpoint directly regulates replication elongation to preserve the integrity of stalled replisomes” 的研究论文。该研究回答了过去50年在checkpoint（细胞周期检验点）调控维持真核细胞DNA 复制叉稳定领域的两个核心问题：1）停顿的DNA 复制叉为什么会不稳定，并倾向于垮塌；2）checkpoint调控维持停顿复制叉稳定的核心分子机制是什么？  N" w. ]- T4 _* }5 Q2 q

4 g8 y2 x- r4 J正常细胞生长过程中，基因组不稳定主要是来自于DNA复制错误，大约2/3癌症的发生被认为是由于DNA复制错误导致的【Tomasetti & Vogelstein(2015)， Science， 347： 78-81；Tomasetti et al. (2017)， Science， 355：1330-1334】，而DNA复制错误主要是来自于DNA复制叉的不稳定。DNA复制叉主要由两部分构成（图1）：Y字型的DNA结构和DNA复制体(Replisome)。DNA复制体包含一系列与复制相关的蛋白质及蛋白质复合物，其中，最重要的是打开双链DNA模板的CMG（Cdc45-MCM-GINS）解旋酶复合物，以及进行新生链DNA合成的DNA聚合酶——DNAPolα、δ、ε。正常移动的DNA复制叉是相对稳定的，DNA复制体中的CMG解旋酶与DNA聚合酶在物理及生化功能上紧密偶联。但当DNA复制叉遭遇复制障碍停顿下来时，停顿的DNA复制叉被证明是不稳定的，倾向于垮塌。6 \2 c* F% ^) ?8 E3 ?& Y6 Z

% }: l# W  J* M1 R. D3 Y上个世纪60年代末，研究人员在裂殖酵母里筛选到了一株突变株，命名为rad3-136。很快发现rad3-136突变株对羟基脲【Hydroxyurea (HU)， 抑制dNTPs合成，导致DNA复制叉停顿】高度敏感。至此，细胞维持停顿DNA复制叉稳定的机制研究拉开了序幕。Rad3及相关蛋白介导的细胞调控，于1988年被命名为checkpoint调控【Weinert & Hartwell(1988)， Science， 241：317-322】， Rad3被归类为ATR激酶。过去50年，前后上千个实验室，用两代人的时间，发表了上万篇研究文章，证明checkpoint是维持停顿DNA复制叉稳定的必需细胞调控。在checkpoint缺失或缺陷的细胞，停顿的DNA复制叉发生垮塌，导致DNA复制不能完成，以及基因组的极度不稳定。但是，研究组在试图阐明checkpoint调控维持DNA复制叉稳定的机制研究方面，碰到了极大阻力，阻力主要是来自于checkpoint调控的靶蛋白极难被确定，已发表文章的结论也互相矛盾，导致checkpoint调控维持DNA复制叉稳定的核心机制长期得不到确定。
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' b3 M! v- s. s8 W1 P! J, l4 q通过大规模的遗传筛选，孔道春实验室发现，复制解旋酶CMG（Cdc45-MCM- GINS）复合体的一个亚基Cdc45的突变能极大降低（600-3000 倍）checkpoint通路缺陷的细胞对HU 的敏感性，暗示Cdc45或CMG复合体可能被checkpoint调控。通过一系列遗传及生化分析，证明Rad3ATR-Cds1Chk2 checkpoint 通路直接调控DNA复制解旋酶CMG复合体。孔道春实验室发现：当DNA复制叉停顿后，Cds1Chk2 同时磷酸化Cdc45 亚基上的三个丝氨酸残基（且这三个Chk2/Chk1 磷酸化位点在不同物种中相对保守）。这三个丝氨酸残基的磷酸化导致CMG复制解旋酶活性深度降低。CMG复制解旋酶活性的降低使得它不能脱离停顿复制叉，不能与被阻挡的DNA 聚合酶分开。$ d  y: U5 ?. J* f: q
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这样，停顿的DNA复制体（Replisome）及复制叉的生化完整性得到了维持，从而阻止了停顿DNA 复制叉的垮塌。
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1 N, e- g& L+ ^. y( ?/ `6 H. A/ t为什么停顿复制叉里的复制解旋酶与DNA聚合酶会倾向于分开呢？这关联到两件事情：一是DNA复制体或DNA复制叉的基本生化特性；二是正常细胞生长过程中导致复制叉停顿的基本原因。DNA复制体中，DNA Pol ε负责合成前导链（leading strand）合成， DNA Polα和δ负责后随链（laggingstrand）合成。由于后随链的合成稍微滞后于CMG解旋酶介导的DNA链解开，导致后随链的DNA模板上恒定的出现一段约200核苷酸长度的单链DNA区域。如果该单链DNA区域有形成DNA二级结构的序列，如G4、三股链、发夹结构等，DNA二级结构的形成就是一个大概率事件。形成的DNA二级结构会阻挡DNA Pol α、δ的移动，导致复制叉停顿。在酵母细胞的染色体DNA上，大约有2000-4000个能形成DNA二级结构的序列。在人细胞中，能形成DNA二级结构的数目大约有数百万个（~75万个G4结构，及数倍于G4的三股链结构等）。因此，DNA二级结构导致的复制叉停顿是一个经常发生的生物事件。在前导链或后随链的DNA模板上，如果有碱基损伤（每个人细胞每天有约105级别的这类损伤）或化学修饰，也会阻挡DNA Polα、δ、ε（DNA聚合酶的活性中心非常精巧，只能容纳AT或GC配对，但不能容纳AC或GT配对，以保证DNA复制的精准性），导致复制叉停顿。当DNA聚合酶被阻挡后，CMG解旋酶还要往前移动，这样就会导致CMG 解旋酶与DNA聚合酶物理上的分开，导致复制叉垮塌。! a8 C) a( `$ t! Y3 g

% \  l8 m% B& v6 W, t: r经过上千个实验室50年的不懈努力，checkpoint调控维持停顿DNA复制叉稳定的核心机制最终得到了阐明。即，1）停顿复制叉不稳定、倾向于垮塌的根本原因是：当DNA聚合酶被阻挡后，复制解旋酶与DNA聚合酶倾向于分开；2）checkpoint调控维持停顿复制叉稳定的核心机制是：降低复制解旋酶的活性，阻止复制解旋酶脱离复制叉或DNA聚合酶，维持两者之间在物理及生化功能上的紧密偶联，从而维持停顿复制叉稳定，并保持它的生物学功能（图2）。孔道春实验室于2019年发现的chromsfork调控，通过提高停顿复制叉周围的染色质结构紧密程度，也是为了阻挡复制解旋酶脱离复制叉，以维持复制叉稳定。(生物谷Bioon.com）' n1 r$ F+ h* B: a4 `
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