Nature Commun | 孙前文实验室揭示DNA聚合酶ε调控topoR-loop维持基因组稳定性的机制

DNA拓扑结构变化可调控R-loop的动态平衡，与基因组稳定性密切相关【1】。DNA拓扑异构酶1（TOP1）作为真核生物高度保守的拓扑异构酶，其特异性抑制剂CPT（camptothecin）可诱导基因组R-loop的积累，并导致基因组不稳定【1,2】。然而，目前对于基因组拓扑结构变化如何影响R-loop水平进而调控基因组稳态的机制仍然未知。

近日，清华大学生命中心孙前文实验室在Nature Communications期刊上发表了题为DNA polymerase ε harmonizes topological states and R-loops formation to maintain genome integrity in Arabidopsis的研究论文【3】，揭示了拟南芥中DNA聚合酶ε参与调控topoR-loop动态变化和DNA复制进程，进而维持基因组完整性的分子机制。

作者首先在拟南芥中应用TOP1抑制剂（TOP1i, TOP1 inhibitor）建立了一个反映R-loop水平与基因组拓扑状态的监测系统，发现CPT处理可显著促进根尖组织中基因组R-loop（拓扑结构发生改变导致的R-loop变化，简称为topoR-loop）水平和DNA断裂标记γH2AX水平的升高，并最终抑制根生长。利用CPT进行反向遗传筛选发现DNA损伤修复激酶ATM的突变对CPT尤其敏感，基因组R-loop水平积累尤为显著，根的生长受到严重抑制。在atm突变体基础上利用该系统筛选鉴定出负责先导链合成的DNA聚合酶ε催化亚基POL2A的突变，可恢复atm中TOP1i诱导的topoR-loop积累和DNA损伤。深入研究发现pol2a可抑制DNA复制起始位点附近topoR-loop的积累，并降低CPT处理后正在进行DNA复制的细胞中的DNA损伤水平。该研究表明，DNA聚合酶ε可响应基因组拓扑结构变化，协同调控R-loop动态变化和DNA复制进程，从而维持基因组的完整性。该发现对深入理解人类癌症化疗过程中ATM缺陷导致TOP1i靶向药物耐药性的机制提供了重要信息，同时为联合使用DNA损伤药物和分层治疗提供可能的新策略。

该工作由第一作者清华大学生命学院博士研究生李沁完成，生命中心PI孙前文为通讯作者。该工作也得到了同实验室成员周劲聪、李帅、张卫峰、杜盈雪、李宽，以及复旦大学和华南农业大学的王应祥教授提供的帮助。该研究得到了国家自然科学基金、国家科技部基金、生命科学联合中心的资助。

参考文献：

1. Pommier, Y., Sun, Y., Huang, S. N. & Nitiss, J. L. Roles of eukaryotic topoisomerases in transcription, replication and genomic stability. Nat Rev Mol Cell Biol 17, 703-721, doi:10.1038/nrm.2016.111 (2016).

2. Pommier, Y. Topoisomerase I inhibitors: camptothecins and beyond. Nat. Rev. Cancer 6, 789-802, doi:10.1038/nrc1977 (2006).

3. Li, Q. et al. DNA polymerase epsilon harmonizes topological states and R-loops formation to maintain genome integrity in Arabidopsis. Nat Commun 14, 7763, doi:10.1038/s41467-023-43680-7 (2023).

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43680-7