北京基因組所合作研究揭示O-GlcNAc糖基化修飾維持基因組穩定性的分子機制
DNA總是受到內源或外源環境中多種損傷因子的攻擊，例如DNA復制錯誤、細胞代謝產物、電離輻射、紫外線照射和化療試劑等，這些因素都會引起DNA損傷的產生。如果不能夠及時有效修復DNA損傷，將會導致基因組不穩定性，進而誘發多種人類疾病，如腫瘤、神經退行和出生缺陷。為了維持基因組穩定性，生物體進化出了一套保護機制來監控DNA損傷并及時修復，這一機制即為DNA損傷應答。
中國科學院北京基因組研究所郭彩霞研究組與動物研究所唐鐵山研究組合作，通過質譜技術發現跨損傷合成DNA聚合酶Polη第457位蘇氨酸能夠發生一種新的蛋白質翻譯后修飾：氧連糖基化修飾（O-GlcNAcylation）。已知在紫外線輻射或者順鉑等化療試劑暴露條件下，跨損傷合成DNA聚合酶Polη被招募到復制叉處替換高保真性DNA復制酶，在相應的損傷DNA模板對側整合正確的核苷酸，從而促進復制叉的繼續前行。但是，與高保真的DNA復制酶相比，Polη復制未損傷DNA模板的錯誤率顯著升高（10-2~10-3），極易導致遺傳信息不能夠正確地從親代細胞傳遞到子代細胞中，因此它到復制叉的招募和移除必須受到嚴格調控，然而關于Polη在TLS完成后如何從復制叉解離還不很清楚。研究發現干擾Polη的氧連糖基化修飾雖然不影響其被招募到受阻復制叉處及其在損傷DNA模板對側整合核苷酸的能力，但顯著削弱了Polη與CRL4CDT2 E3泛素連接酶之間的相互作用，降低了第462位賴氨酸的多泛素化修飾水平，進而抑制了p97-UFD1-NPL4復合體所介導的Polη與復制叉分離的過程，導致細胞內突變率上升、細胞對紫外線和順鉑試劑敏感性增強、DNA復制叉移動速率變緩等。該項研究工作揭示了Polη 氧連糖基化修飾與泛素化修飾之間的互作關系，以及DNA復制過程中多種DNA聚合酶轉換的分子機制。Polη在多種腫瘤細胞中表達顯著升高，與順鉑等化療藥物的耐藥性產生密切相關，同時也與非小細胞肺癌患者的生存期呈負相關。
該發現首次報道氧連糖基化修飾參與調控細胞跨損傷合成過程并維持基因組穩定性，從DNA損傷應答角度揭示了對營養水平敏感的氧連糖基化修飾調控基因組穩定性和腫瘤耐藥性的分子機制，為解決順鉑等化療藥物的耐藥性提供新的思路和策略，有望改善部分腫瘤患者的生存狀況。
這項研究工作以“Polη O-GlcNAcylation governs genome integrity during translesion DNA synthesis”為題于2017年12月5日在Nature Communications在線發表。中國科學院北京基因組研究所馬曉璐博士、動物所劉紅美博士和首都師范大學李靜副教授為共同第一作者，郭彩霞研究員和唐鐵山研究員為共同通訊作者；本研究工作得到了北京生命科學研究所董夢秋研究員、北京蛋白質組研究中心徐平研究員和北京基因組所趙永良研究員的大力支持。該研究獲得了國家自然科學基金委、科技部等的資助。
O-GlcNAc糖基化修飾調控Polη與復制叉解離的分子機制示意圖
