用光學顯微鏡眼見為實——DNA損傷時的染色質3D結構維持機製

撰文 | 柚子責編 | 兮

DNA它是攜帶生物體遺傳信息的重要分子，其完整性對細胞生存至關重要。然而，在生活活動中，DNA內源性(氧化自由基， **  叉坍塌等)或外源性(電離輻射、烷化劑等)** ，DNA不同類型的損傷是不可避免的。DNA損傷中，DNA雙鏈斷裂損傷（DNA double strand breaks，DSBs）是更嚴重的損傷類型。DSB病理性在適應性免疫應答中起著重要作用DSB導致細胞生長停滯或癌變1。

因此，生命在進化過程中形成了一套複雜有序的網絡調節DNA修複雙鏈斷裂（DNA double-strand breaks repair，DSBR）。哺乳動物會動員以保護基因組的完整性DSB保護位點附近的染色質量DNA以免過度切除，傷害正常染色體。這個過程是由53BP1蛋白質介導。發生了DNA雙鏈斷裂後，53BP1高度磷酸化，迅速從核中的彌散分布聚集到DSB位點在熒光顯微鏡下形成清晰可見的斑點，並招募RIF1和shieldin-CST-POLα複合物2。但目前尚不清楚該過程是如何影響染色質三維結構的。

201910月24日，丹麥哥本哈根大學Jiri Lukas英國牛津大學Lothar Schermelleh教授在Nature發表研究“Stabilization of chro ** tin topology safeguards genome integrity該研究利用超高分辨率顯微鏡發現53BP1和RIF1蛋白可形成自治功能模塊（autonomous functional module），穩定DNA斷裂點的三維染色質拓撲結構。

了解染色質3D如何保護結構中的生物體？DNA研究人員是對的53BP1可視化研究蛋白質。DNA損傷發生時，53BP1與前人的報道一致，在傳統熒光顯微鏡下形成均勻的球狀體。3D-SIM研究人員維結構照明顯微鏡時，研究人員發現DNA斷裂從4到7形成53BP1蛋白亞結構（sub-do ** ins）環形結構組成(圖1)。

圖1

STED顯微鏡（stimulated emission depletion microscopy）該成像顯示了更高的分辨率53BP1亞結構直徑100nm左右，兩個53BP1亞結構的中心距離接近140nm(圖2)研究人員將這些亞結構命名為53BP1納米域（53BP1-NDs）以及更**的裝配體53BP1微米域（53BP1 MDs）。

圖2

進一步研究表明，當DNA損傷發生時，53BP1首先與該位點相匹配TAD結構序列結合，形成53BP1-NDs和53BP1 MDs結構。隨後RIF1和cohesin招募複合體TAD結構邊界，53BP1和RIF1單個交替分布DBS幾個相鄰的位點TAD結構穩定有序的環形排列，保持DNA斷裂點的染色質3D結構。染色結構可限製BRCA1避免活動DNA過度切割斷端。53BP1和RIF1當蛋白質缺失時，環形結構被破壞，DNA修複蛋白BRCA1在染色質上擴散，導致染色質擴散DNA斷端的過度切除，影響基因組的完整性（圖3）。

圖3

一般來說，利用超高分辨率顯微技術發現了該研究53BP1和RIF1在DNA斷端保持染色質3D結構，限製BRCA1活性是保護染色體完整性的重要功能。同時，該研究表明了染色質3D結構對DNA修複損傷的必要性具有重要意義。DSB位置附近有序的拓撲結構可以保護DNA免受其他無法控製的酶的攻擊，同時提高DSB位點的抗切割因子（anti-resection factors），如shieldin濃度。這也可以解釋shieldin如何成為人類蛋白質組中豐度更低的蛋白質？DNA損傷修複中發揮關鍵作用。

值得注意的是，在這項研究中online前一天，美國癌症研究中心André Nussenzweig院士在Molecular Cell發表研究“53BP1 Enforces Distinct Pre- and Post-ResectionBlocks on Homologous Recombination”（詳見BioArt報道：Molecular Cell | 53BP1從蛋白質互作的角度解釋同源重組末端切除前後的功能)53BP1對BRCA1抑製通道。BRCA1可促進5’到3’端的DNA切除並將RAD51單鏈加載到3端DNA推進同源重組修複。

André Nussenzweig等人發現53BP1通過招募PTIP和Shieldin抑製DNA切斷和阻斷斷端RAD51加載，從而拮抗BRCA1介紹的同源重組修複。這兩項研究從不同的角度向bsports官网登录展示53BP1在DNA修複的重要功能。53BP1和RIF1，Shieldin對DNA促進斷端保護DNA修複的非同源終端鏈接(Non-homologous end joining,NHEJ)途徑，與BRCA1同源重組介導(Homologous recombination,HR)修複途徑發生拮抗。

所以，身體是如何工作的HR和NHEJ平衡途徑？53BP1和BRCA1如何參與這個平衡過程？需要進一步研究。

原文鏈接：//doi.org/10.1038/s41586-019-1659-4

製版人：小嫻子

參考文獻1. Stavnezer J，Guike **  JE，Schrader **． Mechani **  and regulation of class switch recombination [J]  ． Annu Rev Immunol，2008，26: 261-2922.Setiaputra,D. & Durocher,D.Shieldin—the protector of DNA ends. EMBO Rep. 20,e47560 (2019)