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周政/黃俊合作揭示BRCA1-BARD1複合物識別DNA損傷位點的結構與分子基礎

  

  DNA双链断裂(DNA double-strand breaks,DSBs)是真核细胞中最为严重的DNA损伤类型之一,单个裸露的DSB即可诱发细胞凋亡。DSB主要通过非同源末端连接(NHEJ, non-homologous end-joining)和同源重组(HR, homologous recombination)两种方式进行修复。HR修复发生在S和G2期,受损的DNA以姐妹染色单体上的同源序列为模板进行修复,因此,HR修复是十分精确的修复方式,一旦发生缺陷将导致基因组不稳定,引起包括肿瘤在内的多种疾病发生。

  乳腺癌易感基因BRCA1編碼的蛋白促進DSB選擇精確的HR修複方式,並對于維持基因組穩定性至關重要。攜帶BRCA1種系突變的個體一生累計乳腺癌發病風險高達80%,卵巢癌發病風險也高達40%~60%。近年來在攜帶BRCA1BRCA2突變的卵巢癌和乳腺癌治療中得到廣泛應用的PARP抑制劑(PARPi)就是利用"合成致死"效應靶向殺滅腫瘤細胞[1]。其原理是PARPi導致細胞積累大量DNA單鏈斷裂,單鏈斷裂損傷在S期進一步轉變爲雙鏈斷裂,由于HR修複缺陷,這些雙鏈斷裂的DNA通過NHEJ快速連接修複,産生了大量錯誤的修複産物,達到殺死HR修複缺陷的腫瘤細胞並對正常細胞低毒害的效果。PARPi盡管可以針對性殺死HR修複缺陷的細胞,是一種非常有前景的低毒靶向藥物,但它同時也面臨適用性和耐藥性這兩個臨床問題。深入研究細胞對DSB修複途徑的選擇機制不僅有助于揭示相關癌症的致病機理,還將加速新型抗腫瘤藥物的研發。在早期研究中,周政課題組曾揭示了組蛋白H4K20me2的識別調控對DSB修複途徑選擇的重要作用[2]。

  細胞對DSB修複途徑的選擇受到細胞周期的嚴格調控,NHEJ和HR修複途徑在細胞周期的不同階段發揮作用並維持基因組穩定性。爲了確保遺傳信息的准確傳遞,細胞傾向于選擇更精確的HR途徑對DNA複制期産生的DNA損傷進行修複,腫瘤抑制蛋白BRCA1與BARD1在HR途徑的選擇過程中發揮關鍵作用。研究表明,BARD1蛋白可以識別組蛋白H4第20位賴氨酸(H4K20me0)以及H2A第15位賴氨酸上的泛素(H2AK15Ub)形成的雙重標記,並將BRCA1-BARD1二聚體定位到DSB附近的染色質,同時招募下遊修複因子進行DSB修複[3]。

  2021年6月7日,國際學術期刊《Molecular Cell》杂志在线发表了中科院生物物理所周政课题组与浙江大学黄俊课题组合作完成的研究论文"Structural insight into BRCA1-BARD1 complex recruitment to damaged chromatin"。本研究利用结构生物学、生物化学、生物物理学以及细胞生物学等多种实验手段揭示了BARD1对泛素化核小体的特异识别模式,阐明了BRCA1-BARD1复合物识别损伤染色质并促进同源重组修复的分子机制。

  研究人員解析了BARD1與含有H4K20me0與H2AK15Ub雙標記核小體的複合物電鏡結構。結構表明,BARD1的ARD結構域與BRCT結構域橫跨核小體的盤面,並與核小體的酸性區域、組蛋白H4以及泛素等存在廣泛的相互作用。值得一提的是,本研究發現BARD1通過識別泛素K63-E64位點,而非普遍存在的I44與I36位點與泛素結合,從而揭示了一種新的泛素識別模式。研究人員利用MST、EMSA和ITC等技術對上述作用界面進行了體外實驗驗證,揭示了BARD1識別H4K20me0和H2AK15Ub的結構基礎。研究人員同時利用RNA幹擾、免疫熒光與細胞存活等實驗方法進行了體內功能驗證,實驗證明破壞BARD1-核小體相互作用會嚴重影響BRCA1-BARD1複合物在DSB位點的招募,致使HR修複效率下降,從而導致細胞對PARPi非常敏感。進一步研究發現BARD1-核小體作用結合界面上存在多個癌症相關突變,提示BARD1突變可能會破壞細胞對DSB修複途徑的選擇,從而導致癌症的發生。

  綜上,本研究揭示了BARD1特異識別泛素化核小體及其在促進同源重組修複過程中的重要作用,進一步探明了BRCA1-BARD1複合物介導的DSB損傷修複通路調控機制。該研究對于理解BARD1突變引起的DSB修複途徑的異常選擇,以及相關癌症的致病機理和抗腫瘤藥物研發具有借鑒意義。

  中科院生物物理所周政研究员与浙江大学黄俊教授为本文的共同通讯作者。周政课题组戴霖昌博士、戴亚鑫博士、黄俊课题组韩金花博士与周政组黄艳博士为本文的共同第一作者。周政课题组博士研究生王龙歌也参与了该项研究。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中國科學院战略性先导科技专项(B类)等资助。

圖一、BRCA1-BARD1複合物特異識別泛素化核小體並促進同源重組修複

  文章鏈接

  參考文獻:

  1. Slade, D. (2020). PARP and PARG inhibitors in cancer treatment. Genes Dev. 34(5-6):360-394.

  2. Dai, Y., Zhang, A., Shan, S., Gong, Z., Zhou, Z. (2018). Structural basis for recognition of53BP1 tandem Tudor domain by TIRR. Nat Commun. 9(1):2123.

  http://www.bioart.com.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=11&id=3095

  3. Becker J.R., Bonnet, C., Clifford, G., Groth, A., Wilson, M.D., and Chapman, J.R. (2020). BARD1 links histone H2A Lysine-15 ubiquitination to initiation of BRCA1-dependent homologous recombination. BioRxiv 2020.06.01.127951.

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