引言
DNA 修复和自噬是维持细胞生存的两个关键生物学过程。DNA修复负责修复DNA损伤,确保基因组稳定;而自噬则负责清除细胞内多余的、受损的、错误折叠或聚集的蛋白质和细胞器,维持细胞稳态。拓扑异构酶 I (TOP1) 在DNA复制和转录中起着至关重要的作用,它通过切断DNA形成超螺旋结构,释放扭转应力。然而,TOP1与DNA形成的共价键——TOP1cc是一种有害的DNA损伤,会导致基因组不稳定和细胞死亡。TOP1cc修复主要依赖于酪氨酸DNA磷酸二酯酶 1 (TDP1) 介导的切除修复或MRE11核酶介导的DNA切割和切除修复【1】。然而,TOP1cc的修复过程与蛋白质降解途径的关系尚不清楚。自噬因子在DNA复制叉附近富集,表明自噬可能在DNA损伤修复中发挥作用。TEX264是一种保守的蛋白质,既是自噬受体,也与TOP1cc修复有关【2】。然而,TEX264是否通过自噬介导TOP1cc修复,目前尚不清楚。
近日,来自英国牛津大学拉德克利夫医院的Kristijan Ramadan研究团队在Cell杂志上发表题为TEX264 drives selective autophagy of DNA lesions to promote DNA repair and cell survival的研究论文,该研究发现了TEX264介导的核吞噬作用在维持基因组稳定性和细胞存活中发挥关键作用。
首先通过免疫共沉淀和蛋白质组学分析,研究人员发现自噬相关蛋白(如Beclin-1、TEX264、CHMP7、ATG7、SNAP29)在DNA复制叉处富集,并且这种富集在CPT(诱导DNA复制压力的化合物)处理后被显著增强,这表明自噬可能在响应 DNA 复制压力时发挥作用。接着,研究人员使用LysoIP技术分离溶酶体,并通过质谱分析其蛋白质组成。结果表明,CPT 处理后,许多DNA复制和核蛋白(如DNA聚合酶、MCM复合物蛋白、核孔复合物)被运送到溶酶体,表明溶酶体可能直接参与 DNA 损伤的清除。
进一步,研究人员发现用CPT处理后,TOP1cc水平的恢复受到mTOR抑制剂Torin的促进,而自噬抑制剂ATG7的缺失则完全阻止了TOP1cc的修复,证明自噬是TOP1cc修复的关键途径。其他自噬相关蛋白,如syntaxin 17和RB1CC1,也参与了TOP1cc的降解和细胞对CPT的存活,说明自噬修复TOP1cc的过程是一个复杂的网络,涉及多个自噬相关蛋白。使用mCherry-TOP1-GFP报告系统证实了TOP1在低剂量CPT处理后进入溶酶体,表明 TOP1cc可以直接被溶酶体降解。
通过分析γ-H2AX 和53BP1的定位,研究人员发现低剂量CPT诱导的DNA损伤主要表现为复制压力,而不是DNA 双链断裂。此外,研究人员发现ATR抑制剂VE-822强烈抑制了TOP1cc的运送,而ATM抑制剂KU-55933没有影响,这表明ATR在响应DNA复制压力和促进 TOP1cc 降解中起着关键作用。自噬抑制剂ATG7和syntaxin 17的缺失加剧了低剂量 CPT 处理后蛋白质聚集物的形成,说明自噬在防止蛋白质聚集物形成中发挥作用。
最后,研究人员发现MRE11核酶的缺失强烈抑制了TOP1cc的运送,而MUS81和TDP1的缺失没有影响,表明MRE11核酶在将TOP1cc从核内运送到溶酶体中起着关键作用。使用 LysoIP-Seq技术分离溶酶体中的DNA片段,并通过测序分析其序列特征。结果表明,溶酶体中分离的DNA片段主要来自核内 DNA,且大部分来自内含子和着丝粒区域,表明溶酶体可以清除整个TOP1cc损伤,包括其蛋白质部分和相关的DNA片段。使用 TOP1cc 特异性抗体和LysoIP等技术证实了TOP1cc在低剂量CPT处理后在细胞质中的存在。这表明 TOP1cc可以从核内被运送到细胞质,并被溶酶体降解。
图1 TEX264驱动的选择性自噬促进DNA修复和细胞存活(Credit: Cell)
总之,这项研究证明了选择性自噬在DNA修复中的进化保守作用,并表明它对维持基因组稳定性和细胞存活至关重要。此外,该发现还表明,在治疗结直肠癌患者时, TEX264的表达水平与对伊立替康等TOP1抑制剂的化疗反应相关。
参考文献
1. Pommier, Y. (2006). Topoisomerase I inhibitors: camptothecins and beyond. Nat. Rev. Cancer 6, 789–802. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/nrc1977.7. Stingele, J., Bellelli, R., and Boulton, S.J. (2017). Mechanisms of DNA–protein crosslink repair. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 563–573.
2. Fielden, J., Wiseman, K., Torrecilla, I., Li, S., Hume, S., Chiang, S.-C., Ruggiano, A., Narayan Singh, A., Freire, R., Hassanieh, S., et al. (2020). TEX264 coordinates p97- and SPRTN-mediated resolution of topoisomerase 1-DNA adducts. Nat. Commun. 11, 1274.
https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/fulltext/S0092-8674(24)00911-5
责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“BioArt”
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