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Sci Adv | 科学家发现调控端粒长度的新通路
2019-10-30

责编 | 酶美


端粒是位于真核细胞染色体末端的一小段重复DNA序列,起到保护染色体完整性和控制细胞分裂周期的作用。由于DNA的末端复制问题,端粒的序列会随着细胞分裂次数的增加而持续缩短,进而诱发细胞进入危机期和衰老期。所以肿瘤细胞必须要获得端粒延伸的机制来克服这一问题,从而实现永生化。绝大部分的肿瘤会激活端粒酶来获得这一功能,然而一小部分肿瘤(~10%)可以通过一种端粒酶不依赖的ALT (Alternative lengthening of telomeres) 机制来延伸端粒【1,2】。目前的研究表明ALT细胞可以在端粒区域激活DNA损伤信号,进而通过同源重组(Homologous Recombination)延伸端粒,但具体的机制还很不清楚。哺乳动物的端粒由TTAGGG的重复序列组成,可以和Shelterin蛋白复合物结合形成特殊的结构,从而阻止DNA损伤修复信号的产生。为什么ALT细胞可以特异性地在端粒区域激活DNA损伤反应? 这是理解ALT发生机制的一个关键问题。


引人注意的是,最近的报道显示核受体可以被招募到端粒,很可能对于ALT机制的激发有重要作用。核受体是一类受特异配体分子调控,结合特定的DNA序列进而调控基因转录的蛋白,通常情况下并不能结合典型的端粒序列TTAGGG。然而研究发现,一类非典型的端粒序列TCAGGG,在ALT细胞的端粒中极大富集,从而为NR2F和NR2C家族的核受体(主要是COUP-TFII和TR4)提供了结合序列。这种端粒序列的变化和核受体在端粒的异常募集到底对于ALT机制起什么作用,目前还完全不清楚。      


近日,贝勒医学院Ming-jer TsaiSophia Tsai 课题组在Science Advances发表题为“Nuclear receptors regulate alternative lengtheningof telomeres through a novel non-canonical FANCD2 pathway”的研究论文(第一作者为徐马飞首次揭示了核受体可以通过直接的相互作用将DNA修复蛋白FANCD2招募到ALT端粒,从而激活非经典的FANCD2通路来调控ALT端粒的延伸,这项研究也指出了靶向核受体来治疗ALT肿瘤的可能性。



为了深入研究核受体在ALT通路中的功能,作者首先通过BiFC(Bimolecular Fluorescence Complementation)系统筛选,发现COUP-TFII和TR4可以与DNA修复通路中的重要蛋白FANCD2相互作用。FANCD2属于 Fanconi anemia (FA)蛋白家族,是参与DNA链接交联(Interstrand crosslink)修复的核心因子。在经典的FA通路中,FANCD2可以被FA核心复合物招募并单泛素化,进而募集下游一系列的蛋白启动同源重组修复DNA损伤。那么在ALT细胞中,FANCD2是否可以被核受体招募从而在端粒处诱发同源重组,促进端粒延伸呢?通过免疫荧光结合端粒DNA FISH实验,作者发现FANCD2可以特异性地在ALT细胞中被招募到端粒区域(图1 A)。对FANCD2的聚集信号进行分析发现,FANCD2在端粒以外的聚集依赖于FA通路的其他蛋白如FANCA、FANCI,而不依赖于COUP-TFII/TR4;然而FANCD2在端粒处的招募却恰恰相反,主要的依赖于COUP-TFII/TR4,而不是FA通路的蛋白(图1 B和C)。进一步的实验还发现,FANCD2在端粒以外的聚集主要发生于S期,这与之前关于FA通路在S期伴随DNA复制过程参与修复的报道一致;然而FANCD2在端粒处的聚集却集中在G2期,恰恰与ALT通路的激活主要发生在G2期吻合(图1 D)。另外,FA核心复合物的缺失会影响FANCD2在S期聚集于端粒,而COUP-TFII/TR4的缺失主要影响FANCD2在G2期的招募。这一系列的结果表明, FANCD2可以通过两种不同的途径被招募到ALT端粒:少量的FANCD2可以在S期聚集于端粒,这种聚集依赖于FA经典通路,可能来自于正常的DNA损伤修复过程;然而大量的FANCD2招募发生在G2期,这种招募依赖于FANCD2和核受体COUP-TFII/TR4的相互作用,而不是FA通路。


图1 核受体COUP-TFII/TR4通过不依赖于经典FA通路的途径特异性地在G2期招募FANCD2到ALT端粒      


进一步研究还发现,核受体COUP-TFII/TR4以及FANCD2对于调控ALT通路的激活和端粒的延伸都起到重要作用,而经典的FA信号通路则在此过程中并没有主要的作用。另外,通过对FANCD2相关的DNA修复蛋白进行筛选,作者还发现COUP-TFII/TR4-FANCD2复合物可以招募DNA内切酶MUS81在端粒区域产生双链断裂,从而引起DNA损伤反应,诱发同源重组,进而招募DNA聚合酶复合物PCNA-POLD3,促进端粒延伸。

 

图2  核受体COUP-TFII/TR4招募FANCD2及下游蛋白调控ALT的模式图


总之,这项研究阐明了一条新的ALT信号通路,首次发现核受体可以直接招募DNA损伤修复相关的蛋白,主动诱发DNA损伤反应,从而激活ALT端粒延伸。此外作为核受体,COUP-TFII和TR4都含有结合配体的结构域,有可能通过小分子化合物抑制它们的活性,从而阻断ALT端粒的延伸。Tsai实验室目前正在进行COUP-TFII小分子抑制剂的研发,探索靶向核受体治疗ALT肿瘤的方法。


中山大学松阳洲教授,MD安德森癌症研究中心陈俊杰教授,中科院上海营养和健康研究所秦骏研究员为课题提供了大力支持

 

原文链接:
https://advances.sciencemag.org/content/advances/5/10/eaax6366.full.pdf

制版人:小娴子
 

参考文献


1. J. W. Shay, R. R. Reddel, W. E.Wright, Cancer. Cancer and telomeres--an ALTernative to telomerase. Science 336, 1388 (Jun 15, 2012).

2. R. J. O'Sullivan, G. Almouzni,Assembly of telomeric chromatin to create ALTernative endings. Trends in cell biology 24, 675 (Nov, 2014).

3. J. Dejardin, R. E. Kingston,Purification of proteins associated with specific genomic Loci. Cell 136, 175 (Jan 9, 2009).

4 D. Conomos et al., Variant repeats are interspersed throughout the telomeresand recruit nuclear receptors in ALT cells. TheJournal of cell biology 199, 893(Dec 10, 2012).

5. P. Marzec et al., Nuclear-receptor-mediated telomere insertion leads togenome instability in ALT cancers. Cell160, 913 (Feb 26, 2015).

6. D. J. Mangelsdorf et al., The nuclear receptor superfamily: the second decade. Cell 83, 835 (Dec 15, 1995).

7. X. Su, J. Huang, The Fanconi anemiapathway and DNA interstrand cross-link repair. Protein & cell 2,704 (Sep, 2011)

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