自然子课题:浙江大学谢团队揭示BRCA1缺陷肿瘤特征突变模式的来源和机制

来源：生物世界2022-08-17 10336021

基于这些特征突变模式，同源重组缺陷(HRD)的预测工具已被用于预测癌症药物PARP抑制剂的治疗反应。

基因组测序揭示了BRCA1缺陷肿瘤复杂的突变特征，主要包括特异性簇点突变富集、小片段碱基添加和缺失(InDel)、染色体易位形成和大量约10 Kb的串联重复(TD)。这些突变模式记录了细胞在肿瘤形成过程中遇到的DNA损伤事件和异常修复。

基于这些特征突变模式，同源重组缺陷(HRD)的预测工具已被用于预测癌症药物PARP抑制剂的治疗反应。然而，这些特征突变模式的主要原因和具体分子机制尚不清楚，这极大地限制了人们对肿瘤基因组不稳定性机制的认识，阻碍了基于此的肿瘤诊断和治疗策略的发展。

生理条件下细胞正常代谢引起的内源性DNA损伤是基因组不稳定的罪魁祸首，其中单链断裂(SSB)是最常见的DNA损伤，如果遇到DNA复制叉就会转化为双链断裂(DSB)。由于缺乏第二末端，这种DSB倾向于通过同源重组(HR)来修复。因此，这种DSB在BRCA1缺陷细胞中的异常修复是BRCA1缺陷肿瘤特定突变模式的主要原因。然而，由于缺乏定点、有效和统一的复制偶联单端DSB诱导，对该类型DSB的损伤反应和修复的认知有限，BRCA1在其中的作用和机制尚不清楚。

近日，浙江大学附属医院转化医学研究所谢教授团队在Nature Communications上发表了一篇题为《DNA缺口诱导突变信号与BRCA1缺陷相关》的研究论文。

研究团队利用CRISPR-Cas9单链切刻酶(nCas9)的靶向滞留特性，在细胞内高效诱导出源于DNA单链切刻并与DNA复制偶联的单端DSB。这种DSB，而不是双末端DSB，在BRCA1缺陷细胞中诱导更高频率的染色体断裂、畸变和微核。

随后，研究团队使用了一个可以区分和量化短道基因转化(STGC)和长道基因转化(LTGC)的HR报告系统，分析了BRCA1缺陷对单端DSB HR修复的影响。结果显示，BRCA1缺陷细胞单端DSB的HR修复效率下降，但LTGC的偏倚增加(图1)。

特别是，BRCA1缺陷促进具有明显DNA复制链不对称的LTGC偏倚，即BRCA1缺陷倾向于促进与滞后链折叠相关的LTGC偏倚，这可能与BRCA1缺陷肿瘤中突变模式的链不对称有关。

由于复制偶联的单端DSB也可以利用反向会聚复制叉产生的第二个单端DSB用于NHEJ，研究人员利用内源性位点分析了这种NHEJ的效率和界面序列，发现在BRCA1缺陷细胞中InDel的频率增加，特别是11-80bp的缺失产物，界面中微同源性(MH)的利用率增加(图1)。这一现象与BRCA1突变肿瘤中InDel突变的特征高度一致。相反，Cas9诱导的双末端DSB的NHEJ修复在BRCA1缺陷细胞中不产生这种突变模式。由于BRCA1缺陷肿瘤中染色体易位的频率增加，研究小组还发现Cas9和nCas9诱导的染色体易位的频率并没有因为BRCA1缺陷而改变，但nCas9诱导的易位甚至因为BRCA1缺陷而大量发生。这表明BRCA1缺陷肿瘤中的染色体易位来自与复制相关的单末端DSB，而不是来自与复制无关的双末端DSB。

10Kb左右的TD是BRCA1缺陷型肿瘤的特征性突变模式。在这项研究中，双末端DSB诱导的TD水平不受BRCA1缺陷的影响，而单末端DSB诱导的TD在BRCA1缺陷细胞中显著富集(图1)。有趣的是，TD频率变化也具有明显的链不对称，即BRCA1缺陷倾向于促进与滞后链崩溃相关的TD产生。根据对TD产物结构特征的分析和推断，TD形成机制包括双轮链入侵(TRIS)介导的TD形成和MH介导的TD形成(图1)。在BRCA1野生型细胞中，Cas9和NCA9都可以诱导MH介导的TD产物，但只有NCA9诱导的TD会增加其在BRCA1缺陷型细胞中的频率，这与BRCA1缺陷型肿瘤中类似TD突变的积累高度一致。

该研究不仅有助于阐明BRCA1在修复双端DSB和复制偶联单端DSB中的功能差异，更重要的是揭示了BRCA1缺陷型肿瘤突变模式的主要诱因。

是复制偶联单末端DSB的产生及修复异常，而不是传统认为的双末端DSB。这将帮助推动肿瘤突变模式发生机制在肿瘤精准诊疗中的临床应用。同时也提醒，因为靶点滞留，在分裂细胞中，我们认为相对安全的碱基编辑器和先导编辑器也会产生严重的染色体畸变。

该论文通讯作者是浙江大学医学院附属邵逸夫医院和浙江大学转化医学研究院谢安勇教授和冯依力特聘研究员。冯依力和刘倩博士是本文第一作者。本课题得到了国家自然科学基金面上项目和浙江省自然科学基金项目的支持。谢安勇教授团队致力于肿瘤基因组不稳定性和CRISPR基因编辑技术机制与改良的研究，已先后在 Mol Cell、Nat Struct Mol Biol、Nat Commun、Genome Biol、Nucleic Acids Res 等一系列期刊发表学术论文。

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