NAR | 首都师范大学王海龙等合作发现促进有丝分裂DNA合成和维持普通脆性位点完整性的新机制

普通脆性位点( common fragile sites，CFSs )是容易发生染色体重排的区域，从而有助于肿瘤发生。在复制应激( Replication stress，RS )下，CFSs在有丝分裂开始时往往存在复制不足的DNA区域，从而触发被称为有丝分裂DNA合成( MiDAS )的同源定向修复来完成DNA复制。

2023年12月1日，首都师范大学王海龙及斯克利普斯研究所Xiaohua Wu共同通讯在Nucleic Acids Research 上在线发表题为“MutSβ protects common fragile sites by facilitating homology-directed repair at DNA double-strand breaks with secondary structures”的研究论文，该研究鉴定了DNA错配修复蛋白MutSβ ( MSH2 / MSH3 )在促进Mi DAS和维持CFS稳定性中的重要作用。研究表明，MutS β在CFS衍生的富含AT和结构倾向的序列( CFS-ATs )中，对于RS或FANCM缺失诱导的有丝分裂重组增加是必需的。此外，MSH3对FANCM表现出合成致死性。在机制上，MutS β对于同源重组( HR )是必需的，特别是当DNA双链断裂( DSB )末端含有二级结构时。

在RS作用下，MutSβ以PCNA依赖而MUS81非依赖的方式被募集到特异性的CFS-AT-Flex1上。此外，MutSβ与RAD52相互作用，并促进RAD52在MUS81依赖的叉裂解后募集到Flex1。反过来，RAD52招募XPF/ERCC1以去除DSB末端的DNA二级结构，从而在CFS - ATs上实现HR/断裂诱导的复制( BIR )。总之，MutSβ在CFS-ATs上加工DNA二级结构的特异性要求是其在促进MiDAS和维持CFS完整性方面发挥关键作用的基础。

普通脆性位点( CFSs )是在复制部分受损时，在中期染色体上表现出缺口或断裂的特定基因组位点。这些位点是已知的染色体重排的热点，如缺失和易位，特别是在癌症中。CFSs表现出对DNA复制应激( Replication Stress，RS )的高度易感性，这种易感性通常由癌基因的异常表达诱导。因此，CFS的不稳定性被认为是肿瘤发生的一个重要因素。CFSs是"难以复制"的，这可以归因于几个内在特征。例如，CFSs通常包含一簇富含AT的序列，这些序列倾向于形成稳定的二级结构。此外，它们通常含有大的基因，可以导致R - loop的形成以及复制和转录之间的碰撞。CFSs通常是晚期复制的，并且缺乏复制起始点。

当遇到复制障碍时，CFSs通常不能完成DNA复制，进入M期，DNA复制不足。在有丝分裂开始时，结构特异性核酸内切酶( SSE ) MUS81 / EME1切割复制不足的DNA区域，随后在有丝分裂前期诱导有丝分裂DNA合成( MiDAS )，在CFSs处完成DNA复制。Mi DAS具有保守的DNA复制模式，依赖于POLD3和PIF1的参与，与同源重组( HR )的一个亚型- -断裂诱导复制( BIR )具有共同的特征。值得注意的是，MiDAS独立于BRCA1和RAD51，但需要RAD52 。然而，MiDAS的确切机制尚不完全清楚。

在CFSs上的干扰复制导致复制叉上富含AT序列的DNA二级结构的形成，引起复制停滞和双链断裂( DSB )的形成，这些DSBs有助于CFSs的脆弱性。FANCM对于拆解这些DNA二级结构，从而防止在CFS - ATs处形成DSB非常重要。在CFS - ATs中，HR以短程基因转换[ STGC,常指一般HR]和BIR的形式被用于修复DSBs。HR由末端切除开始，随后DSB末端的3′单链DNA ( ssDNA )侵入其同源模板。当第二端同源序列接近时，进行短的DNA合成和链置换，然后将新合成的DNA链退火至第二端同源序列，完成STGC [或一般HR]。然而，如果DSBs是单端的或者第二端距离较远，BIR被激活，BIR DNA合成需要POLD3和PIF1，这对于STGC来说是必不可少的。在之前的研究中发现在DSB末端切除后，CFS - ATs在3′ssDNA悬突上形成DNA二级结构，这需要XPF / ERCC1在新的DNA合成开始之前被去除。此外，该研究证明了RAD52对于末端具有DNA二级结构的DSBs的修复是特异性必需的，但对于"干净末端"的HR是必不可少的。

文章模式图（图源自Nucleic Acids Research ）

DNA错配修复( MMR )在纠正DNA复制过程中产生的DNA错配中起着至关重要的作用。MutSα ( MSH2 / MSH6 )和MutSβ ( MSH2 / MSH3 )异二聚体复合物高度保守，参与识别具有不同底物特异性的错配核苷酸。MutSα识别单核苷酸错配和1 - 2个核苷酸插入，而Mut Sβ识别小的DNA环。错配识别触发ATP依赖的MutLα核酸内切酶的激活，在错配的DNA附近产生缺口以启动MMR。与MutS α不同，MutSβ可以结合各种分支的DNA结构。先前的研究表明，MutS β与三核苷酸重复( TNRs )中形成的发夹结构结合，并促进致病性TNR扩增。MutS β还与RPA - ssDNA中的发夹环相互作用，并促进ATR激活。MMR蛋白也与HR有关。在酵母中，当DSB末端含有非同源尾巴时，Msh2和Msh3对基因转换很重要，并且也是单链DNA退火( SSA )所必需的。酵母MutSβ刺激MutLα的核酸内切酶活性，以切割减数分裂中的重组中间体。在哺乳动物细胞中，MutSβ也被证明参与检查点激活和HR。

该研究证明了MutSβ与FANCM (一种ATP依赖的DNA重塑转位酶)之间存在综合致死性的相互作用，这对于防止在CFS - ATs处形成DSB是必需的。研究表明，MutSβ在含有结构形成CFS - ATs的DSBs的HR和BIR中都起着至关重要的作用。BIR中的MutSβ功能对于MiDAS在CFS中的作用以及维持CFS的完整性具有重要意义。在机制上，MutSβ结合在CFS - ATs处形成的DNA二级结构，并与RAD52相互作用，这一过程被RS增强。RAD52反过来招募XPF / ERCC1到CFS - ATs，从而去除DSB末端的DNA二级结构，并促进CFSs的BIR。这些发现为复杂的分子相互作用和修复机制提供了有价值的见解，这些机制是维持CFS完整性的基础，并强调了MutSβ在促进MiDAS保持CFS基因组稳定性中的作用。

参考信息：

https://doi.org/10.1093/nar/gkad1112

转自：“iNature”微信公众号

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