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Nature | 眼见为实——DNA损伤时的染色质3D结构维持机制

 昵称32772025 2019-10-26
DNA是携带生物体遗传信息的重要分子,它的完整性对细胞存活至关重要。然而,在生命活动中,DNA时刻遭受着内源性(氧化自由基、复制叉崩塌等)或外源性(电离辐射、烷化剂等)刺激,DNA损伤不可避免。
 
在不同类型的DNA损伤中,DNA双链断裂损伤(DNA double strand breaks,DSBs是最为严重的损伤类型。生理性的DSB在适应性免疫应答中发挥重要作用,而病理性DSB则导致细胞生长停滞或癌变【1】。因此,生命在进化过程中形成了一套复杂有序的网络调控DNA双链断裂修复(DNA double-strand breaks repair, DSBR
 
为保护基因组的完整性,哺乳动物会动员DSB位点附近的染色质来保护该DNA末端,以免它被过度切除,伤害正常染色体。该过程由53BP1蛋白介导。在发生DNA双链断裂后,53BP1高度磷酸化,并从核内的弥散分布状态迅速聚集到DSB位点,形成在荧光显微镜下清晰可见的斑点,并招募RIF1和shieldin-CST-POLα复合物【2】。然而,该过程是如何影响染色质三维结构的,尚不清楚。
 
2019年10月24日,丹麦哥本哈根大学的Jiri Lukas和英国牛津大学的Lothar Schermelleh教授在Nature发表研究“Stabilization of chromatin topology safeguards genome integrity”,该研究利用超高分辨率显微镜发现53BP1和RIF1蛋白可形成自治功能模块(autonomous functional module),稳定DNA断裂位点的三维染色质拓扑结构。
 
为了解在染色质3D结构中生物体如何保护DNA断裂末端,研究者对53BP1蛋白进行可视化研究。当DNA损伤发生时,53BP1在传统荧光显微镜下形成均匀的球状体,这与前人的报道一致。而当采用3D-SIM(三维结构照明显微镜)观察时,研究者发现DNA断裂处形成了由4到7个53BP1蛋白亚结构(sub-domains)组成的环形结构(图1)
 
图1
 
STED显微镜(stimulated emission depletion microscopy)的更高分辨率成像显示,该53BP1亚结构直径100nm左右,两个53BP1亚结构的中心距离接近140nm(图2)。研究者将这些亚结构命名为53BP1纳米域(53BP1-NDs)以及更高阶的装配体53BP1微米域(53BP1 MDs)
图2
 
进一步研究显示,当DNA损伤发生时,53BP1首先与该位点的TAD结构序列结合,形成53BP1-NDs和53BP1 MDs结构。随后RIF1和cohesin复合体被招募到TAD结构边界,53BP1和RIF1的交替分布将单个DBS位点上几个相邻的TAD结构稳定为有序的环形排列,维持DNA断裂位点的染色质3D结构。该染色质结构能限制BRCA1的活性,避免DNA断端的过度切割。而当53BP1和RIF1蛋白缺失时,该环形结构被破坏,DNA修复蛋白BRCA1弥散在染色质上,导致DNA断端的过度切除,影响基因组的完整性(图3)
图3

总的来说,该研究利用超高分辨率显微技术发现了53BP1和RIF1在DNA断端维持染色质3D结构,限制BRCA1活性,保护染色体完整性的重要功能。同时,该研究展示了染色质3D结构对DNA损伤修复必要性,具有重要意义。DSB位点附近有序的拓扑结构能保护DNA免受其他不受控制的酶的攻击,同时提高DSB位点的抗切割因子(anti-resection factors),如shieldin的浓度。这也可以解释shieldin作为人类蛋白质组中丰度最低的蛋白,如何在DNA损伤修复中发挥关键作用。
 
值得注意的是,在该研究online的前一天,美国癌症研究中心的André Nussenzweig院士在Molecular Cell发表研究“53BP1 Enforces Distinct Pre- and Post-ResectionBlocks on Homologous Recombination”(详见BioArt报道:Molecular Cell | 53BP1在同源重组末端切除前后的功能),从蛋白互作的角度解释53BP1对BRCA1通路的抑制。BRCA1可促进5’到3’端的DNA切除并将RAD51加载到3’端的单链DNA上,促进同源重组修复。André Nussenzweig等人发现53BP1通过招募PTIP和Shieldin抑制DNA断端切除和阻断RAD51加载,从而拮抗BRCA1介导的同源重组修复。
 
这两项研究从不同的角度向我们展示了53BP1在DNA修复中的重要功能。而53BP1和RIF1,Shieldin对DNA断端的保护会促进DNA修复的非同源末端链接(Non-homologous end joining, NHEJ)途径,与BRCA1介导的同源重组(Homologous recombination, HR)修复途径发生拮抗。那么,机体是如何使HR和NHEJ途径得到平衡?53BP1和BRCA1如何参与这个平衡过程?有待进一步研究。
 
原文链接:
/10.1038/s41586-019-1659-4
 
制版人:小娴子
 

参考文献

1. Stavnezer J, Guikema JE, Schrader CE. Mechanism and regulation of class switch recombination [J]  . Annu Rev Immunol, 2008, 26: 261-292
2.Setiaputra, D. & Durocher, D.Shieldin—the protector of DNA ends. EMBO Rep. 20,e47560 (2019)

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