Nature亮点 | 吴薇等揭示神经细胞如何进行DNA损伤修复过程

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神经细胞是人体内寿命最长的有丝分裂后体细胞， 它们不进行DNA复制，只能依靠DNA修复机制来维持基因组保真度。这些修复机制随着年龄的增长而下降，可以导致基因组功能受损，引起认知能力下降和神经退行性疾病。然而目前对于神经细胞的基因组不稳定性以及是如何进行修复的知识仍然非常有限。

2021年3月25日，美国国立卫生院癌症研究中心 (NIH/NCI) André Nussenzweig课题组，国家神经疾病与中风研究所 (NIH/NINDS) Michael Ward课题组和英国萨塞克斯大学Keith W. Caldecott教授合作在Nature以Accelerated Article Preview形式发表了题为 Neuronal enhancers are hotspots for DNA single-strand break repair 的文章来尝试回答以下几个问题：是否能够检测神经细胞内源的DNA损伤修复过程，定位它们在基因组上什么位置，损伤的类型是什么，是如何被修复的以及来源。

作者利用成熟神经细胞新合成的DNA主要来源于DNA修复过程的特征 （大部分的DNA修复过程都需要切除损伤的碱基和重新合成的步骤） 新开发了名为SAR-seq （DNA synthesis associated with repair） 的高通量测序技术：首先，将iPS细胞诱导分化的神经细胞与胸腺嘧啶核苷类似物EdU (5-乙炔基-2’脱氧尿嘧啶核苷)  共培养后，EdU会掺入新合成的DNA片段中，然后利用生物素亲和素反应捕获这些片段进行测序，从而获得DNA修复事件 （图1） 。

图1

令人意外的是，他们发现新合成的DNA并不在基因组随机分布，而是在特定位置出现峰值，且富集在神经细胞的增强子而非启动子区，并与增强子标记相关。接着，作者通过DNA损伤响应相关蛋白修饰信号多聚ADP糖基化 （poly(ADP-ribose)，PAR） ChIP-seq, DNA单链断裂修复相关蛋白 XRCC1 ChIP-seq和André Nussenzweig课题组之前开发的高通量检测DNA双链断裂的技术END-seq 【1】 等发现SAR-seq与DNA单链断裂 （single strand breaks, SSBs ） 损伤相关，而不是DNA双链断裂损伤 （double strand breaks, DSBs） 。为了进一步直接检测SSBs，作者开发了ddN S1 END-seq在单核甘酸水平捕获SSBs，并发现SSBs位点和SAR-seq有很好的重合。

SSB修复的主要通路为碱基切除修复 （Base excision repair, BER） ，根据新合成核苷酸链的长度不同，又可以分为短补丁（1 nt）和长补丁两个途径（>1 nt）。然而，有趣的是，敲降短补丁DNA单链断裂修复通路依赖的蛋白PARP1, XRCC1以及DNA聚合酶β并没有降低DNA合成信号，反而增加了DNA合成信号。由此，作者推测SAR-seq检测的是长补丁修复过程中合成的DNA：在正常情况下，神经细胞中SSBs同时可被短补丁或长补丁途径修复，然而当短补丁途径无法完成时，长补丁途径会成为主要的修复通路，因此增强了SAR-seq信号。当作者抑制负责长补丁修复的DNA聚合酶ε 和δ，发现可以降低SAR-seq信号 （图2） 。

最后，作者通过SSBs位点C/G富集的碱基特征和5hmC/5fC-Seal推断出，活跃的DNA去甲基化过程中产生的氧化应激损伤可能是神经细胞中SSBs的潜在来源。

图2

总的来说， 该文章通过开发新的技术发现增强子是神经细胞的SSBs热点，给出了DNA SSB修复为何对神经细胞发育和衰老至关重要的可能解释，为神经退行性疾病的研究和治疗提供了新的思路。

André Nussenzweig课题组博后吴薇，NIH-牛津剑桥项目博士生 William J. Nathan 和Michael Ward 课题组博后 Sarah E. Hill 为该文章共同第一作者。该工作也得到了课题组其他成员及NIH Rafael Casellas 课题组， 陈崇毅 研究员， 戈凯 研究员， P aul Meltzer 研究员， Yves Pommier 研究员， 孙逸伦 博士， Sergio Ruiz 研究员， Samuel Wilson 研究员，拉荷亚免疫研究所 Anjana Ra o教授, 西班牙庞培法布拉大学 Nuria Lopez-Bigas 教授，日本京都大学 Andres Canela 副教授和比利时哈瑟尔特大学 David Wilson III 教授的大力协助。

André Nussenzweig课题组 ( https://ccr.cancer.gov/Laboratory-of-Genome-Integrity/andre-nussenzweig ) 现有 博后 位置空缺，欢迎有意者申请。

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https://ccr.cancer.gov/careers/post-doctoral-fellow-dna-damage-dna-repair-computational-biology-genomics/25428

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https://ccr.cancer.gov/careers/post-doctoral-fellow-dna-damage-dna-repair-genomics/26083

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03468-5

制版人：十一

参考文献

1. Canela, Andres, et al. "DNA breaks and end resection measured genome-wide by end sequencing." Molecular Cell 63.5 (2016): 898-911.

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