撰文 | 满天星

责编 | 兮

对于一个细胞的正常生长而言，保持其基因组的稳定性是至关重要的。尽管细胞有着一套精密的DNA复制以及修复系统来维持其稳定性，但仍不可避免地会产生各种各样的DNA损伤，这其中就包括DNA双链断裂（DSBs, Double-strand breaks）。一旦产生DSBs，一方面细胞会通过DNA损伤响应通路（DDR, DNA-damage response）招募MRE11-RAD50-NBS1复合体至损伤位点来激活ATM，从而触发下游的细胞周期检查点，使细胞得以有时间来修复损伤【1】；另一方面，细胞也会招募一系列DSB的修复蛋白来修复损伤，包括非同源末端连接（NHEJ, Non-homologous end-joining）的XRCC4，选择性末端连接（alt-EJ, Alternative end-joining）的PARP1，以及同源重组修复（HR, Homologous recombination）的RAD51蛋白。值得注意的是，不同于HR仅发生在S期和G2期【2】，前两种末端连接的修复方式贯穿在整个细胞周期中，但是由于缺乏修复模版，因此保真性非常差，容易造成基因突变或染色体畸变，从而增加致瘤的风险。

作为DNA损伤中最为严重的一种，引起DSBs的因素也多种多样，外因主要有各种辐射、化学药剂以及基因编辑技术等，而对于内因则知之甚少。目前已有的研究发现，当有信号激活转录时，拓扑异构酶II能够通过切割超螺旋的DNA来造成瞬时的DSBs【3】。也有研究发现，即使没有任何干扰，在转录起始位点（TSSs, transcription start sites）也始终存在着DSBs，也就是说稳定的转录同样能够造成DSBs。那么，在正常状态下，转录究竟是如何造成这种内源的DSBs的呢？另外，由于染色体易位是恶性肿瘤的重要遗传特征之一，这种内源积累的DSBs又是否与肿瘤当中的染色体易位现象有关呢？

2019年5月21日，来自意大利的Pier Giuseppe Pelicci研究团队在Nature Genetics杂志上在线发表了题为Release of paused RNA polymerase II at specific loci favors DNA double-strand-break formation and promotes cancer translocations的文章，他们发现正常细胞中，在启动子、5’剪切位点以及活化的增强子区域RNA聚合酶II（Pol II）的停顿与释放能够形成DSBs，并且这种损伤并不激活传统的DDR通路，而是通过末端连接的方式直接进行修复，从而增加染色体易位的风险。

首先，利用原位断点标记与测序技术（BLISS,Breaks Labeling In Situ and Sequencing），研究人员在无干扰状态下生长的人表皮细胞中检测到了约8000个DSBs。这些DSBs并不是随机分布在基因组当中，而是大部分集中在启动子、内含子的5’剪切位点以及活化的增强子区域。以往，人们认为内源产生的DSBs与转录水平息息相关，但是研究者发现，有超过半数的无DSB基因却反而有着较高的转录水平，这说明高转录水平并不是导致DSBs产生的原因。抛开转录水平，进一步对这些脆性启动子，也就是存在DSBs的启动子进行研究，发现相比于无DSB的启动子，这些脆性启动子表现出较高水平的Pol II-pS5，但这些基因主体上的Pol II-pS2水平却较低，也就是说Pol II在转录起始出现了停顿，没有往下延伸，而一旦有信号将Pol II从停顿状态释放出来，就会产生DSBs。这说明，Pol II的停顿与释放是形成内源DSBs的决定因素，并且这一过程主要由TOP2B的剪切作用来实现。

那么，对于这种内源产生的DSBs，细胞又会如何应对呢？研究人员通过检测经典DDR通路中的γ-H2AX信号，发现不同于外源诱导的DSBs，内源产生的DSBs并不激活DDR通路。从修复方式来看，外源诱导的DSBs既能够通过HR途径也能够通过NHEJ途径来进行修复，而内源产生的DSBs却主要通过NHEJ途径来进行修复（XRCC4信号较强）。前面说过，这种无修复模版的NHEJ途径保真性很差，容易造成包括染色体易位在内的染色体畸变。事实上，研究人员也确实发现只有Pol II-pS5/TOP2B/XRCC4阳性的内含子在染色体易位的断点处有富集，也就是说内源产生的DSBs是染色体发生易位的先决条件。同时，研究人员在891个正常细胞和乳腺癌细胞当中都发生染色体易位的基因中，发现有410个基因含有易位断点的内含子，并且这些内含子中有约60%同时存在Pol II-pS5/TOP2B/XRCC4阳性和DSBs，这说明这种内源产生的DSBs与肿瘤当中出现的染色体易位现象也息息相关。

总的来说，这项研究揭开了内源DSBs的神秘面纱，发现了在稳定转录的过程中，特定位点Pol II的停顿与释放能够形成DSBs，并且通过NHEJ的修复方式增加了DNA异常重组的风险，进而导致肿瘤相关染色体易位的发生。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41588-019-0421-z

制版人：半夏

参考文献

1. Rogakou, E. P., Boon, C., Redon, C. & Bonner, W. M. Megabase chromatin domains involved in DNA double-strand breaks in vivo. J. Cell Biol. 146, 905–916 (1999).

2. Ceccaldi, R., Rondinelli, B. & D’Andrea, A. D. Repair pathway choices and consequences at the double-strand break. Trends Cell Biol.26, 52–64 (2016).

3. Wu, H. Y., Shyy, S. H., Wang, J. C. & Liu, L. F. Transcription generates positively and negatively supercoiled domains in the template. Cell53, 433–440 (1988).