单链DNA结合蛋白RPA沉积的分子机理以及在基因组稳定性维持中的意义

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复制压力是内源性DNA损伤的主要来源。若复制压力不能有效缓解,停滞的复制叉可能崩溃产生DNA双链断裂,严重威胁基因组的完整性,导致突变累积,引起细胞衰老或者癌变。与正常细胞不同,携带活化癌基因或抑癌基因有缺陷的肿瘤细胞通常会伴随高水平的复制压力。这一内在特征导致肿瘤细胞对复制压力应答的依赖性增强,使该信号通路成为治疗肿瘤的重要靶点。无论是复制叉停滞、崩溃还是DNA断裂后的末端剪切过程,都会生成被RPA(replication protein A)包被的长片段单链DNA(ss DNA)。这个普遍存在的中间产物是招募、交换复制压力应答或损伤修复因子的重要平台,是DNA损伤信号感知和传递的关键结构。目前人们对于RPA-ss DNA介导的信号转导和RPA在ss DNA上如何被置换已经有比较明确的认识,但是RPA结合ss DNA的过程是如何调节的尚处于研究的起始阶段。为了深入了解RPA与ss DNA结合的调控机制,寻找治疗肿瘤的新靶点。我们主要关注能够与游离RPA相互作用并主动将RPA加载到ss DNA上的蛋白。我们通过免疫亲和质谱鉴定、体内免疫共沉淀(co-IP)以及体外pull-down实验,发现了核纤层相关蛋白LAP2α与RPA存在直接相互作用。接下来我们通过体外的凝胶迁移实验(EMSA)以及体内的i POND(isolation of proteins on nascent DNA)、高内涵细胞成像分析(HCS)、激光诱导微损伤(laser micro-irradiation)等实验发现LAP2α可以帮助RPA加载到ss DNA上。点突变分析实验说明LAP2α的86和88位精氨酸在与RPA的结合中发挥重要作用,将精氨酸突变成电荷相反的谷基酸(R86E/R88E)其促进RPA在ss DNA上的沉积明显减弱。LAP2α是核纤层相关蛋白家族中的一员,目前LAP2α在肿瘤发生中的潜在作用主要归因于其参与了LMNA和p Rb介导的细胞周期控制,然而LAP2α在与肿瘤发生发展密切相关的其它基本细胞生理活动中的作用,如复制压力或DNA损伤应答,还没有得到充分的研究和探索。由于RPA-ss DNA在基因组稳定性维持中起着重要作用,我们接下来探究LAP2α介导的RPA沉积是否也参与了该过程。通过DNA fiber、彗星实验(comet assay)、同源重组修复报告实验(HR reporter)、细胞活力测定实验(MTS)以及ATR激酶活性检测实验,发现失去LAP2α使细胞受到基因毒性后产生复制叉进程变缓,DNA损伤修复能力减弱,ATR信号通路激活受阻,药物敏感性增加,得出LAP2α在缓解复制压力和修复DNA损伤过程中起着重要作用的结论。接下来通过Lac I-Lac O系统、laser micro-irradiation实验,我们进一步证明,LAP2α在细胞内可以被募集到阻断的复制叉或DNA损伤位点,该募集是依赖于聚ADP-核糖聚合酶PARP1,而不依赖于其蛋白的酶活性。总结以上结果我们发现,LAP2α可以促进复制叉进程、激活ATR信号通路、促进DNA双链断裂的同源重组修复,在维持基因组稳定性以及细胞应对复制相关的DNA损伤中发挥至关重要的作用。接下来,通过免疫组化以及查阅oncomine数据库进行生物信息学分析,我们发现LAP2α在乳腺癌中高表达,其高表达与乳腺癌患者预后较差呈正相关。利用乳腺癌小鼠模型发现,LAP2α敲除抑制了肿瘤细胞的生长速率,检测到该肿瘤细胞的γH2AX水平上升。我们推测,可能是因为LAP2α敲除导致肿瘤细胞复制压力应答异常,伴随更多的DNA损伤累积,降低了肿瘤细胞的存活能力;通过细胞模型发现LAP2α敲低后,不同分子分型的乳腺癌细胞系对化疗药物均更敏感。综上所述,我们的研究揭示了LAP2亚型特异性RPA加载机制,该机制在细胞响应复制压力和DNA损伤时发挥重要作用。通过联合使用生物化学和单细胞成像技术,我们提出依赖LAP2α的RPA-ss DNA结合模式,并揭示其在ATR信号通路激活和DNA双链损伤修复中的重要性。我们还发现,LAP2α与乳腺癌的发生发展密切相关,以LAP2α为靶标可削弱RPA在ss DNA上的沉积,增加复制压力和DNA损伤诱导的细胞死亡,增强化疗药物对乳腺肿瘤的治疗效果。
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