用光学显微镜眼见为实——DNA损伤时的染色质3D结构维持机制

撰文 | 柚子责编 | 兮

DNA它是携带生物体遗传信息的重要分子，其完整性对细胞生存至关重要。然而，在生活活动中，DNA内源性(氧化自由基， **  叉坍塌等)或外源性(电离辐射、烷化剂等)** ，DNA不同类型的损伤是不可避免的。DNA损伤中，DNA双链断裂损伤（DNA double strand breaks，DSBs）是更严重的损伤类型。DSB病理性在适应性免疫应答中起着重要作用DSB导致细胞生长停滞或癌变1。

因此，生命在进化过程中形成了一套复杂有序的网络调节DNA修复双链断裂（DNA double-strand breaks repair，DSBR）。哺乳动物会动员以保护基因组的完整性DSB保护位点附近的染色质量DNA以免过度切除，伤害正常染色体。这个过程是由53BP1蛋白质介导。发生了DNA双链断裂后，53BP1高度磷酸化，迅速从核中的弥散分布聚集到DSB位点在荧光显微镜下形成清晰可见的斑点，并招募RIF1和shieldin-CST-POLα复合物2。但目前尚不清楚该过程是如何影响染色质三维结构的。

201910月24日，丹麦哥本哈根大学Jiri Lukas英国牛津大学Lothar Schermelleh教授在Nature发表研究“Stabilization of chro ** tin topology safeguards genome integrity该研究利用超高分辨率显微镜发现53BP1和RIF1蛋白可形成自治功能模块（autonomous functional module），稳定DNA断裂点的三维染色质拓扑结构。

了解染色质3D如何保护结构中的生物体？DNA研究人员是对的53BP1可视化研究蛋白质。DNA损伤发生时，53BP1与前人的报道一致，在传统荧光显微镜下形成均匀的球状体。3D-SIM研究人员维结构照明显微镜时，研究人员发现DNA断裂从4到7形成53BP1蛋白亚结构（sub-do ** ins）环形结构组成(图1)。

图1

STED显微镜（stimulated emission depletion microscopy）该成像显示了更高的分辨率53BP1亚结构直径100nm左右，两个53BP1亚结构的中心距离接近140nm(图2)研究人员将这些亚结构命名为53BP1纳米域（53BP1-NDs）以及更**的装配体53BP1微米域（53BP1 MDs）。

图2

进一步研究表明，当DNA损伤发生时，53BP1首先与该位点相匹配TAD结构序列结合，形成53BP1-NDs和53BP1 MDs结构。随后RIF1和cohesin招募复合体TAD结构边界，53BP1和RIF1单个交替分布DBS几个相邻的位点TAD结构稳定有序的环形排列，保持DNA断裂点的染色质3D结构。染色结构可限制BRCA1避免活动DNA过度切割断端。53BP1和RIF1当蛋白质缺失时，环形结构被破坏，DNA修复蛋白BRCA1在染色质上扩散，导致染色质扩散DNA断端的过度切除，影响基因组的完整性（图3）。

图3

一般来说，利用超高分辨率显微技术发现了该研究53BP1和RIF1在DNA断端保持染色质3D结构，限制BRCA1活性是保护染色体完整性的重要功能。同时，该研究表明了染色质3D结构对DNA修复损伤的必要性具有重要意义。DSB位置附近有序的拓扑结构可以保护DNA免受其他无法控制的酶的攻击，同时提高DSB位点的抗切割因子（anti-resection factors），如shieldin浓度。这也可以解释shieldin如何成为人类蛋白质组中丰度更低的蛋白质？DNA损伤修复中发挥关键作用。

值得注意的是，在这项研究中online前一天，美国癌症研究中心André Nussenzweig院士在Molecular Cell发表研究“53BP1 Enforces Distinct Pre- and Post-ResectionBlocks on Homologous Recombination”（详见BioArt报道：Molecular Cell | 53BP1从蛋白质互作的角度解释同源重组末端切除前后的功能)53BP1对BRCA1抑制通道。BRCA1可促进5’到3’端的DNA切除并将RAD51单链加载到3端DNA推进同源重组修复。

André Nussenzweig等人发现53BP1通过招募PTIP和Shieldin抑制DNA切断和阻断断端RAD51加载，从而拮抗BRCA1介绍的同源重组修复。这两项研究从不同的角度向我们展示53BP1在DNA修复的重要功能。53BP1和RIF1，Shieldin对DNA促进断端保护DNA修复的非同源终端链接(Non-homologous end joining,NHEJ)途径，与BRCA1同源重组介导(Homologous recombination,HR)修复途径发生拮抗。

所以，身体是如何工作的HR和NHEJ平衡途径？53BP1和BRCA1如何参与这个平衡过程？需要进一步研究。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1659-4

制版人：小娴子

参考文献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)