撰文 | 滿天星

責編 | 兮

對於一個細胞的正常生長而言，保持其基因組的穩定性是至關重要的。儘管細胞有着一套精密的DNA複製以及修復系統來維持其穩定性，但仍不可避免地會產生各種各樣的DNA損傷，這其中就包括DNA雙鏈斷裂（DSBs, Double-strand breaks）。一旦產生DSBs，一方面細胞會通過DNA損傷響應通路（DDR, DNA-damage response）招募MRE11-RAD50-NBS1複合體至損傷位點來激活ATM，從而觸發下游的細胞週期檢查點，使細胞得以有時間來修復損傷【1】；另一方面，細胞也會招募一系列DSB的修復蛋白來修復損傷，包括非同源末端連接（NHEJ, Non-homologous end-joining）的XRCC4，選擇性末端連接（alt-EJ, Alternative end-joining）的PARP1，以及同源重組修復（HR, Homologous recombination）的RAD51蛋白。值得注意的是，不同於HR僅發生在S期和G2期【2】，前兩種末端連接的修復方式貫穿在整個細胞週期中，但是由於缺乏修復模版，因此保真性非常差，容易造成基因突變或染色體畸變，從而增加致瘤的風險。

作爲DNA損傷中最爲嚴重的一種，引起DSBs的因素也多種多樣，外因主要有各種輻射、化學藥劑以及基因編輯技術等，而對於內因則知之甚少。目前已有的研究發現，當有信號激活轉錄時，拓撲異構酶II能夠通過切割超螺旋的DNA來造成瞬時的DSBs【3】。也有研究發現，即使沒有任何干擾，在轉錄起始位點（TSSs, transcription start sites）也始終存在着DSBs，也就是說穩定的轉錄同樣能夠造成DSBs。那麼，在正常狀態下，轉錄究竟是如何造成這種內源的DSBs的呢？另外，由於染色體易位是惡性腫瘤的重要遺傳特徵之一，這種內源積累的DSBs又是否與腫瘤當中的染色體易位現象有關呢？

2019年5月21日，來自意大利的Pier Giuseppe Pelicci研究團隊在Nature Genetics雜誌上在線發表了題爲Release of paused RNA polymerase II at specific loci favors DNA double-strand-break formation and promotes cancer translocations的文章，他們發現正常細胞中，在啓動子、5’剪切位點以及活化的增強子區域RNA聚合酶II（Pol II）的停頓與釋放能夠形成DSBs，並且這種損傷並不激活傳統的DDR通路，而是通過末端連接的方式直接進行修復，從而增加染色體易位的風險。

首先，利用原位斷點標記與測序技術（BLISS,Breaks Labeling In Situ and Sequencing），研究人員在無干擾狀態下生長的人表皮細胞中檢測到了約8000個DSBs。這些DSBs並不是隨機分佈在基因組當中，而是大部分集中在啓動子、內含子的5’剪切位點以及活化的增強子區域。以往，人們認爲內源產生的DSBs與轉錄水平息息相關，但是研究者發現，有超過半數的無DSB基因卻反而有着較高的轉錄水平，這說明高轉錄水平並不是導致DSBs產生的原因。拋開轉錄水平，進一步對這些脆性啓動子，也就是存在DSBs的啓動子進行研究，發現相比於無DSB的啓動子，這些脆性啓動子表現出較高水平的Pol II-pS5，但這些基因主體上的Pol II-pS2水平卻較低，也就是說Pol II在轉錄起始出現了停頓，沒有往下延伸，而一旦有信號將Pol II從停頓狀態釋放出來，就會產生DSBs。這說明，Pol II的停頓與釋放是形成內源DSBs的決定因素，並且這一過程主要由TOP2B的剪切作用來實現。

那麼，對於這種內源產生的DSBs，細胞又會如何應對呢？研究人員通過檢測經典DDR通路中的γ-H2AX信號，發現不同於外源誘導的DSBs，內源產生的DSBs並不激活DDR通路。從修復方式來看，外源誘導的DSBs既能夠通過HR途徑也能夠通過NHEJ途徑來進行修復，而內源產生的DSBs卻主要通過NHEJ途徑來進行修復（XRCC4信號較強）。前面說過，這種無修復模版的NHEJ途徑保真性很差，容易造成包括染色體易位在內的染色體畸變。事實上，研究人員也確實發現只有Pol II-pS5/TOP2B/XRCC4陽性的內含子在染色體易位的斷點處有富集，也就是說內源產生的DSBs是染色體發生易位的先決條件。同時，研究人員在891個正常細胞和乳腺癌細胞當中都發生染色體易位的基因中，發現有410個基因含有易位斷點的內含子，並且這些內含子中有約60%同時存在Pol II-pS5/TOP2B/XRCC4陽性和DSBs，這說明這種內源產生的DSBs與腫瘤當中出現的染色體易位現象也息息相關。

總的來說，這項研究揭開了內源DSBs的神祕面紗，發現了在穩定轉錄的過程中，特定位點Pol II的停頓與釋放能夠形成DSBs，並且通過NHEJ的修復方式增加了DNA異常重組的風險，進而導致腫瘤相關染色體易位的發生。

原文鏈接：

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

製版人：半夏

參考文獻

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).