Nature：眼见为实——DNA损伤时的染色质3D结构维持机制

来源：BioArt

DNA是携带生物体遗传信息的重要分子，它的完整性对细胞存活至关重要。然而，在生命活动中，DNA时刻遭受着内源性（氧化自由基、复制叉崩塌等）或外源性（电离辐射、烷化剂等）刺激，DNA损伤不可避免。

在不同类型的DNA损伤中，DNA双链断裂损伤（DNA double strand breaks，DSBs）是最为严重的损伤类型。生理性的DSB在适应性免疫应答中发挥重要作用，而病理性DSB则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控DNA双链断裂修复（DNA double-strand breaks repair， DSBR）。 

为保护基因组的完整性，哺乳动物会动员DSB位点附近的染色质来保护该DNA末端，以免它被过度切除，伤害正常染色体。该过程由53BP1蛋白介导。在发生DNA双链断裂后，53BP1高度磷酸化，并从核内的弥散分布状态迅速聚集到DSB位点，形成在荧光显微镜下清晰可见的斑点，并招募RIF1和shieldin-CST-POLα复合物【2】。然而，该过程是如何影响染色质三维结构的，尚不清楚。 

2019年10月24日，丹麦哥本哈根大学的Jiri Lukas和英国牛津大学的Lothar Schermelleh教授在Nature发表研究“Stabilization of chromatin 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断裂位点的三维染色质拓扑结构。 

为了解在染色质3D结构中生物体如何保护DNA断裂末端，研究者对53BP1蛋白进行可视化研究。当DNA损伤发生时，53BP1在传统荧光显微镜下形成均匀的球状体，这与前人的报道一致。而当采用3D-SIM（三维结构照明显微镜）观察时，研究者发现DNA断裂处形成了由4到7个53BP1蛋白亚结构（sub-domains）组成的环形结构（图1）。 

图1 

STED显微镜（stimulated emission depletion microscopy）的更高分辨率成像显示，该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）。研究者将这些亚结构命名为53BP1纳米域（53BP1-NDs）以及更高阶的装配体53BP1微米域（53BP1 MDs）。

图2 

进一步研究显示，当DNA损伤发生时，53BP1首先与该位点的TAD结构序列结合，形成53BP1-NDs和53BP1 MDs结构。随后RIF1和cohesin复合体被招募到TAD结构边界，53BP1和RIF1的交替分布将单个DBS位点上几个相邻的TAD结构稳定为有序的环形排列，维持DNA断裂位点的染色质3D结构。该染色质结构能限制BRCA1的活性，避免DNA断端的过度切割。而当53BP1和RIF1蛋白缺失时，该环形结构被破坏，DNA修复蛋白BRCA1弥散在染色质上，导致DNA断端的过度切除，影响基因组的完整性（图3）。

图3

总的来说，该研究利用超高分辨率显微技术发现了53BP1和RIF1在DNA断端维持染色质3D结构，限制BRCA1活性，保护染色体完整性的重要功能。同时，该研究展示了染色质3D结构对DNA损伤修复必要性，具有重要意义。DSB位点附近有序的拓扑结构能保护DNA免受其他不受控制的酶的攻击，同时提高DSB位点的抗切割因子（anti-rep factors），如shieldin的浓度。这也可以解释shieldin作为人类蛋白质组中丰度最低的蛋白，如何在DNA损伤修复中发挥关键作用。 

值得注意的是，在该研究online的前一天，美国癌症研究中心的André Nussenzweig院士在Molecular Cell发表研究“53BP1 Enforces Distinct Pre- and Post-RepBlocks on Homologous Recombination”（详见BioArt报道：Molecular Cell | 53BP1在同源重组末端切除前后的功能），从蛋白互作的角度解释53BP1对BRCA1通路的抑制。BRCA1可促进5’到3’端的DNA切除并将RAD51加载到3’端的单链DNA上，促进同源重组修复。André Nussenzweig等人发现53BP1通过招募PTIP和Shieldin抑制DNA断端切除和阻断RAD51加载，从而拮抗BRCA1介导的同源重组修复。 

这两项研究从不同的角度向我们展示了53BP1在DNA修复中的重要功能。而53BP1和RIF1，Shieldin对DNA断端的保护会促进DNA修复的非同源末端链接(Non-homologous end joining, NHEJ)途径，与BRCA1介导的同源重组(Homologous recombination, HR)修复途径发生拮抗。那么，机体是如何使HR和NHEJ途径得到平衡？53BP1和BRCA1如何参与这个平衡过程？有待进一步研究。 

原文链接：

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

参考文献

1. Stavnezer J， Guikema JE， Schrader CE． Mechanism and regulation of class switch recombination [J]  ． Annu Rev Immunol， 2008， 26: 261-292

2.Setiaputra, D. & Durocher, D.Shieldin—the protector of DNA ends. EMBO Rep. 20,e47560 (2019)