Mol Cell｜POLQ“封条”帮助BRAC缺陷型癌症细胞基因组稳定

2022-12-14 19:23:11, 十一月

撰文 | 十一月

DNA双链断裂（DNA double-strand breaks，DSBs）是最为危险的基因组损伤之一，为了对抗DSB的形成，细胞进化出多种途径来修复这些病变。这些途径包括同源重组（Homologous recombination，HR）以及非同源末端链接（Non-homologous end-joining，NHEJ）和微同源末端连接（Microhomology-mediated end-joining，MMEJ）。POLQ（DNA polymerase theta）是通过微同源末端连接修复DSB的一个关键效应子，在许多癌症中都过表达【2】。POLQ是一种由解旋酶和聚合酶结构域组成的大蛋白，中间结构域排列无序。POLQ抑制剂被发现在同源重组以及 Shieldin缺陷型癌细胞中具有杀伤力，说明微同源末端连接在对于DSB修复过程的关键作用。但是POLQ是否独立于微同源末端链接修复还尚不可知。

近日，英国弗朗西斯克里克研究所Simon J. Boulton研究组在Molecular Cell上发表了文章POLQ seals post-replicative ssDNA gaps to maintain genome stability in BRCA-deficient cancer cells，发现BRCA1/2丢失后的癌细胞中，POLQ缺陷细胞会积累复制后双链DNA（ssDNA）间隙，POLQ通过其解旋酶与聚合酶的协同作用促进了ssDNA缺口的填充，是突变性复制后DNA间隙的“封条”。

为了对POLQ在DNA复制期间的作用进行探测，作者们使用CRIPSR-Cas9基因编辑技术在二倍体eHAP细胞中构建了野生型以及POLQ敲除型细胞系。通过染色体外MMEJ报告因子，作者们发现POLQ敲除会造成明显的MMEJ缺陷。在BRCA缺陷型癌细胞中，作者们通过抑制剂抑制POLQ，发现细胞中微核数量显著增加，微核是DNA复制应激的一个标志。

为了检测POLQ缺陷型细胞中ssDNA升高的原因，作者们进行了DNA纤维实验，并进行S1核酸酶消化处理。S1核酸酶能够选择性切割ssDNA间隙。作者们发现POLQ的缺陷会导致ssDNA间隙累积。

进一步地，作者们希望在体外重建POLQ起到ssDNA间隙封条作用的机制。为此，作者们设计了一种寡核苷酸底物，用以模拟生理长度复制后ssDNA间隙。在加入纯化后的POLQ-PD后，寡核苷酸底物出现3’端延伸、ssDNA间隙填充以及5’端位移。作者们的研究表明POL-PD的DNA聚合酶活性和POLQ-HD的ATP酶活性对于的POLQ的ssDNA封条活性都很关键。

进一步地，作者们发现在ssDNA间隙封闭过程中，POLQ可以利用微同源性进行ssDNA间隙的填充。在使用复制阻断剂处理以及难以复制的G4-DNA结构位点上，POLQ介导的缺失会形成至少1nt的微同源性，作为翻译聚合酶的POLQ会跳过内源性的DNA病变。作者们将POLQ的这一活性称为微同源介导的DNA间隙跳跃（Microhomology-mediated gap skipping，MMGS）。

图1 工作模型

总的来说，作者们的工作利用遗传、生化和单分子方法揭示了POLQ丢失或抑制导致BRCA1/2缺陷癌症细胞中复制后ssDNA间隙的积累，而POLQ-PD催化独特的ssDNA间隙填充反应MMGS（图1）。这为通过POLQ抑制剂合成杀伤同源重组缺陷癌症提供了机制上的见解。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.11.008

制版人：十一

参考文献

1. Chapman, J.R., Taylor, M.R., and Boulton, S.J. (2012). Playing the end game: DNA double-strand break repair pathway choice. Mol. Cell 47, 497–510. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2012.07.029.

2. Kamp, J.A., van Schendel, R., Dilweg, I.W., and Tijsterman, M. (2020). BRCA1-associated structural variations are a consequence of polymerase theta-mediated end-joining. Nat. Commun. 11, 3615. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17455-3