前核糖體RNA(prerRNA)介導技術

一旦發生 DNA 雙鏈斷裂 (DSB),DNA 修復因子就會被募集到 DNA 損傷處并通過不同途徑修復 DSB。這些 DSB 修復因子依次加載到 DNA 損傷處并在細胞核中形成不同的凝聚物,稱為 DNA 損傷誘導斑點。當細胞用電離輻射處理以誘導 DSBs 時,經常觀察和檢查這種現象。 因此,它也被稱為電離輻射誘導斑點 (IRIF)。

DSB 修復因子的斑點形成是通過 H2AX(組蛋白 H2A 的變體)在 Ser139(又名γH2AX)的磷酸化來維持的。響應于 DSB,這種位點特異性磷酸化事件由一組 PI3 樣介導激酶,包括 ATM、ATR 和 DNA-PK。γH2AX 可能會延伸到遠離 DNA 斑點的百萬堿基,并提供一個平臺,將 DSB 修復因子聚集在 DSB 附近。盡管詳細的分子機制尚不清楚, H2AX 的缺失消除了 DNA 損傷誘導的斑點并損害 DSB 修復。

除了環境危害引起的 DSBs,DSBs 也在生理相關過程中出現。一個典型的例子是減數分裂前的同源重組 (HR)。在生殖細胞的常染色體和性染色體中,DSB 由 SPO11(一種拓撲異構酶樣酶)產生。然而,與拓撲異構酶不同,SPO11 不能重新連接 DSB。相反,這些 DSB 由 DSB 修復因子修復以完成 HR。由于缺乏同源性,雄性生殖細胞中的 X 和 Y 染色體不能使用經典 HR 來修復 SPO11 誘導的 DSB。因此,X 和 Y 染色體上的 DSB 存在時間延長,導致廣泛的 DNA 損傷反應。在減數分裂前期,各種 DNA 損傷修復因子集中在這兩條性染色體中,形成類似相分離的結構,稱為 XY 體。

rRNA 位于 XY 體內(圖源自Cell Research )

這種類似相分離的結構覆蓋了整個 X 和 Y 染色體。由于 XY 體的明顯生物標志物是 γH2AX,研究人員提出 XY 體是迄今為止人類細胞中最大的 DNA 損傷焦點。有趣的是,在 XY 中有兩種不同的 DSB 修復因子定位模式。DSB 響應因子,例如 γH2AX 和 MDC1,覆蓋 XY 體的整個區域; 相反,X 和 Y 染色體的未突觸區域被 HR 修復機制修飾,包括 RAD51、BRCA1、TOPBP1 等。然而,這些修復因子在 DNA 損傷處相分離的基本分子機制尚不清楚。

最近關于相分離的研究表明,RNA 是無膜核體形成的重要組成部分。然而,參與 DNA 損傷誘導的斑點形成的 RNA 種類仍然難以捉摸。特別是,DNA 損傷誘導的斑點形成是一種進化上保守的現象。盡管已經提出一些 RNA 種類來調節 DNA 損傷誘導的斑點形成,這些 RNA 在進化過程中沒有一個是保守的,這表明 DNA 損傷誘導斑點的主要 RNA 成分尚未透露。該研究通過分析 XY 體和 DSB 斑點中 DSB 修復因子的定位,證明前核糖體 RNA (pre-rRNA) 介導了 DNA 損傷周圍 DSB 修復因子的募集。

Pre-rRNA 存在于減數分裂前期的 XY 體(DSB 修復中心)中,并與 DSB 修復因子(如 MDC1、BRCA1 和 TopBP1)共定位。此外,前 rRNA 相關蛋白和 RNA,如核糖體蛋白亞基、RNase MRP 和 snoRNA,也位于 XY 體內。與 XY 體中的相似,前體 rRNA 和核糖體蛋白也位于 DSB 斑點并與 DSB 修復因子相關聯。瞬時抑制 rDNA 轉錄但不影響全局蛋白質翻譯的 RNA 聚合酶 I 抑制劑處理消除了 DSB 修復因子的斑點形成以及 DSB 修復。 MDC1的FHA結構域和PST重復序列識別pre-rRNA并介導DSB修復因子的相分離,這可能是DSB響應過程中DSB修復因子形成斑點的分子基礎。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41422-021-00597-4

來源:iNature