Science：揭示癌细胞绕过癌症治疗的新机制 癌基因新突变避亡

顾汉现

Science：揭示癌细胞绕过癌症治疗的新机制

癌细胞如何绕开治疗？沈炳辉团队《科学》发文，揭秘细胞压力下求生之道   癌基因新突变避亡

容易出错、压力诱导的基于 3' 皮瓣的 Okazaki 片段成熟支持细胞存活

学术经纬

2021/12/17

论文
论文标题：Error-prone, stress-induced 3′ flap–based Okazaki fragment maturation supports cell survival
作者：Haitao Sun, Zhaoning Lu, Amanpreet Singh, Yajing Zhou, Eric Zheng, Mian Zhou, Jinhui Wang, Xiwei Wu, Zunsong Hu, Zhaohui Gu, Judith L. Campbell, Li Zheng, Binghui Shen

期刊：Science
发表时间：2021/12/03
数字识别码：10.1126/science.abj1013
摘要：How cells with DNA replication defects acquire mutations that allow them to escape apoptosis under environmental stress is a long-standing question. Here, we report that an error-prone Okazaki fragment maturation (OFM) pathway is activated at restrictive temperatures in rad27Δ yeast cells. Restrictive temperature stress activated Dun1, facilitating transformation of unprocessed 5′ flaps into 3′ flaps, which were removed by 3′ nucleases, including DNA polymerase δ (Polδ). However, at certain regions, 3′ flaps formed secondary structures that facilitated 3′ end extension rather than degradation, producing alternative duplications with short spacer sequences, such as pol3 internal tandem duplications. Consequently, little 5′ flap was formed, suppressing rad27Δ-induced lethality at restrictive temperatures. We define a stress-induced, error-prone OFM pathway that generates mutations that counteract replication defects and drive cellular evolution and survival.

所属学科：
分子生物学

（领研网导读 阿金）具有DNA复制缺陷的细胞获得突变从而避开环境应激下的凋亡，其中的具体机制有待阐释。本研究报告rad27Δ酵母细胞中一条容易出错的冈崎片段成熟（OFM）通路在限制性温度下被激活。温度应激激活了Dun1，促进了未加工的5' flap转化为3' flap，进而被3'核酸酶去除。最终少量的5’flap形成，抑制了细胞死亡。该结果确认了一条应激诱导的OFM通路。



药明康德内容团队



在治疗癌症时，常常会出现这样的情况：一些疗法能直接靶向肿瘤细胞，给这些细胞的DNA施加复制压力，抑制或是终止DNA复制过程；但有时，这些肿瘤细胞却能在压力下继续存活、分裂，使得患者在治疗过程中产生耐药性，无法取得预期的效果。

事实上，包括药物在内，多种细胞内外的因素可以成为DNA的复制压力，导致DNA复制过程减速或完全终止。但是，一些DNA复制缺陷的细胞却能获得有益的突变，从而基因突变的结局。

这些细胞是如何获得突变，从而在压力下幸存的？对于生物学家来说，这是一个长期未解的谜题。

近期，一项发表于《科学》的研究揭示了其中的关键机制。美国希望城国家医学中心沈炳辉实验室发现了一条全新的易错的冈崎片段成熟通路，这一发现解释了相关突变的形成机制，并且为抗癌药物的研发提供了新思路。



首先，让我们来回顾DNA复制的过程：DNA链形成的Y字型结构（复制叉）解链，形成了两条新链，分别是沿着解链方向的前导链，以及方向相反的后随链。由于DNA聚合酶只能催化5'至3'方向的合成，因此背着解链方向的后随链显然需要其他的复制机制。

半个世纪前，日本生物学家冈崎令治和冈崎恒子夫妇提出了一个猜想：后随链只能合成一个个短片段，再通过连接酶拼接成完整的DNA。随后，这个假说得到了证实，而其中的短片段也被称作冈崎片段（Okazaki fragment）。

而在冈崎片段成熟的过程中，位于5'端的RNA引物会被刚刚复制形成的DNA片段“顶”出去，暂时延伸出一个被称作“5' flap”的结构。随后，结构特异性内切酶FEN1会将5' flap切除，确保复制过程的顺利进行。

但是，如果FEN1基因缺失，无法及时切除5' flap，那么这些片段就会积累，阻止冈崎片段的连接。因此对于DNA复制过程来说，这种缺陷就产生了复制压力，造成复制叉的坍塌和DNA双链断裂。

为了寻找那些能让细胞在压力下求生的突变，研究团队用酵母细胞进行了实验。他们敲除了酵母细胞中与FEN1同源的rad27基因。结果，缺失Rad27蛋白的酵母细胞在30℃的条件下生长缓慢, 在37℃时则会死亡——这正是复制压力的体现。但随着培养的继续，在不断突变的酵母细胞中，出现了能在37℃下存活的突变株。而这些细胞基因组中共有的突变，很可能就是细胞中压力下求生的关键。



▲在不同温度下培养缺失Rad27蛋白的酵母细胞（图片来源：参考资料[1]）

于是，研究团队对突变的细胞进行了全基因组测序，他们发现有21个基因发生了突变, 但其中只有一个基因的突变率为100%，这就是DNA聚合酶δ的催化亚基Pol3。

而当研究人员将这个突变敲入rad27基因被敲除的酵母细胞之后，他们发现细胞的生长速率、突变率、突变图谱都和普通的酵母细胞相似。也就是说，正是Pol3上的这个突变帮助细胞在复制压力下求生。

那么，这个突变又是如何产生，并且帮助细胞求生的？随后，研究团队通过全基因组测序等手段，揭开了这个过程。

在37℃下的高温压力下，细胞中的某些检查点激酶被激活，它们促使DNA中残留的5' flap转变为更具活性的3' flap。通常，3' flap会被3' 核酸酶去除，但在某些区域3' flap并未被降解,而是形成如下图所示的非典型重复序列突变。这时，Pol3突变的细胞不再形成5' flap，因而避免了在压力下凋亡的结局。



▲三种类型的非典型重复序列突变的形成原理（图片来源：参考资料[1]）

就这样，这些细胞以突变作为代价, 求得了生存。沈炳辉教授指出，这项研究不仅揭示了一种全新的应激诱导的、易错的冈崎片段成熟途径，也为新型的抗癌药物开发提供了重要的理论基础和崭新的方向。



▲研究提出了冈崎片段成熟的易错加工新型模型（图片来源：参考资料[1]）

美国希望城国家医学中心博士后孙海涛为该文章第一作者, 沈炳辉教授和郑力教授为该论文的共同通讯作者。加州理工学院的Judith L. Campbell教授，加州大学圣塔芭芭拉分校的Eric Zheng，沈郑团队的Amanpreet Singh、周亚竟、路兆宁、周棉博士为本文的共同作者。希望城国家医学中心的顾朝辉和吴锡伟团队提供了高通量测序数据分析, 为本文共同作者。

上述工作为沈郑团队在过去二十五年来, 在冈崎片段成熟和DNA损伤应答机制研究工作的积累。欢迎生物信息学, 分子细胞生物学和生物化学等相关专业的有志青年加入团队, 开展进一步的合作研究。


参考资料：
[1] Haitao Sun et al., Error-prone, stress-induced 3′ flap–based Okazaki fragment maturation supports cell survival, Science(2021). DOI: 10.1126/science.abj1013

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj1013

https://www.linkresearcher.com/t ... f-bf89-9a96d3a15faf

http://news.bioon.com/article/6793775.html



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