研究同源重组和异常染色体桥的复杂性

发布时间：2024-06-06 17:00:47 栏目：精选知识

导读 在细胞分裂周期中保持基因组 DNA 中存储的遗传信息完整对于几乎所有生命形式都至关重要。大量的 DNA 损伤必然会导致各种不利的基因组重

在细胞分裂周期中保持基因组 DNA 中存储的遗传信息完整对于几乎所有生命形式都至关重要。大量的 DNA 损伤必然会导致各种不利的基因组重排，在最好的情况下会导致细胞死亡，在最坏的情况下会导致癌症等疾病的发生。幸运的是，生命三个领域的细胞都具有一种特殊的无错误机制来保持遗传信息，称为同源重组 (HR)。



当细胞在 DNA 合成过程中或之后遇到 DNA 损伤时，HR 过程就开始了，从而引发一系列事件。首先切除或切割受损的 DNA，在受损部位附近形成单链末端。然后将这些末端与可用的复制染色体(也称为“姐妹染色单体”)中的相应区域匹配，该染色体本质上用作修复受损 DNA 的模板。

正如人们所料，HR 通路涉及大量蛋白质和细胞机制。虽然大多数这些蛋白质和细胞机制都得到了充分研究，但其中一些仍然有些神秘。RAD51 的调节剂就是这种情况，RAD51 是一种负责修复 DNA 双链断裂的蛋白质。通常，RAD51 会形成有助于保存 DNA 复制叉的细丝——DNA 复制过程中经常发生的瞬时排列，例如复制叉崩塌。正确调节 RAD51 以及这些细丝在完成其使命后的降解对 HR 至关重要。然而，异常 RAD51 积累导致遗传不稳定的确切机制尚不完全清楚，许多正向和负向 RAD51 调节剂仍不清楚。

然而，现在，在2024 年 4 月 10 日发表在《核酸研究》上的一篇最新文章中，由日本近畿大学先进生物科学系的 Miki Shinoara 教授领导的研究小组研究了 RAD51 与其关键调节因子之一 FIGNL1 之间的密切关系。这项研究由近畿大学先进生物科学系的 Kenichiro Matsuzaki 共同撰写，为 HR 过程的复杂性提供了一些急需的启示。

首先，研究人员利用成熟的 CRISPR/Cas9 方法对不表达 FIGNL1 的人类细胞(即 FIGNL1 KO细胞)进行基因改造。然后，他们利用先进的免疫染色技术(包括精心选择的抗体和荧光显微镜)详细地可视化了 HR 过程，寻找异常指标。通过将这种方法与大量其他实验程序(例如蛋白质印迹、细胞周期分析、蛋白质测定以及基因组和转录组分析)相结合，他们设法全面了解了 FIGNL1 缺失时细胞中发生的情况。

研究结果显示，FIGNL1 是一种高度特化的 RAD51 拆解酶，在复制叉“拆解”后，它是染色体正确分离所必需的。更具体地说，当 RAD51 丝状体未完全拆解时，有丝分裂期间会发生异常事件，产生未解析的中间体。这最终导致姐妹染色单体之间形成所谓的“染色体桥”。这些超精细结构对细胞的正常运作非常不利，导致灾难性遗传信息的传播。

了解 HR 通路、其关键参与者及其众多子过程的细节不仅从生物学角度非常重要，而且从医学角度也非常重要。Shinohara 教授解释说： “由于 HR 失调导致的细胞死亡是抗癌药物表现出癌细胞特异性细胞毒性的重要机制。”他进一步补充道：“到目前为止，主要目标是 HR 激活缺陷，但这项研究的结果表明，RAD51 的持续激活也表现出细胞毒性，可以成为抗癌药物的分子靶点。 ”

此外，HR 通路中涉及的细胞机制可以作为强大的生物工程工具。Shinohara 教授评论道：“ HR 在大多数物种中都是一个保存完好的系统，并且与基因改造技术(如基因组编辑和基因靶向技术)紧密相关。因此，阐明控制重组酶活性的机制(如 RAD51 的机制)可能有助于提高基因改造技术的效率。 ”值得注意的是，基因工程是提高作物产量和定制微生物用于生物修复等任务的一种非常有效的途径，可以解决各种现代世界问题。

总体而言，这项研究的成果不仅揭示了一个普遍的生物过程，而且为更好地理解细胞机制以发现重要药物和在基因工程领域取得进展铺平了道路。希望该领域的进一步研究能够消除我们对基因维持所涉及的复杂细胞过程的所有疑虑。