撰文 | 啾啾椰
在真核生物中，DNA 双链断裂 （DSB） 是一种严重的 DNA 损伤，会导致基因组不稳定，进而影响细胞生存和遗传信息的完整。DSB 的修复对于维持基因组稳定至关重要，主要的修复机制包括非同源末端连接 （NHEJ） 和同源重组 （HR）【1】。在 DNA 损伤发生后，断裂的 DNA 末端必须在修复前有效结合，以避免错误的末端连接【2】。因此，在启动修复之前，需要一个精确的末端锚定步骤来确保 DNA 末端的正确结合，为修复过程奠定稳固的基础。
在这一过程中，粘连蛋白 （cohesin） 复合体发挥了重要作用。粘连蛋白通过独特的寡聚化能力在断裂的 DNA 末端形成物理性桥接，使 DNA 断裂末端紧密贴合，为后续修复途径的顺利进行提供必要的结构支持。这种桥接不仅确保了断裂的 DNA 末端不会随意扩散，还为特定修复蛋白 （如 MRX 复合体和 Exo1） 招募到损伤区域创造有利条件【3,4】。因此，粘连蛋白复合体在 DSB 末端的锚定过程中扮演着至关重要的角色。
近日，来自巴黎大学和法国原子能署 （CEA） 的Karine Dubrana研究团队在Nature Cell Biology上发表了题为Cohesin complex oligomerization maintains end-tethering at DNA double-strand breaks的文章，研究了粘连蛋白复合体如何通过寡聚化（oligomerization）作用维持 DNA 双链断裂的末端锚定（end-tethering），将断裂的 DNA 末端稳定保持在一起的机制。
为了检测粘连蛋白对 DSB 末端的锚定作用，研究人员设计了一项实验：在酵母细胞中插入带有 LacO 和 TetO 重复序列的荧光标记位点，通过 LacI–mCherry 和 TetR–GFP 标签来标记这些位点。这些标记位于 DSB 位点的两侧，允许研究人员在 DSB 诱导前后通过微流体显微镜观察标记之间的距离变化。实验结果显示，粘连蛋白复合体的寡聚化在 DSB 末端锚定中至关重要。这种寡聚化形成的结构能够提供足够的机械力和稳定性，使断裂的 DNA 末端紧密结合，从而有效防止末端扩散或发生错误连接。
进一步地，研究人员使用 nocodazole 阻止细胞进入 G2/M 期，抑制细胞周期进展以减少 Scc2 的表达，从而防止新的粘连蛋白加载 （de novo loading） 。结果显示，在 DSB诱导的早期阶段，预先存在的粘连蛋白足以维持末端锚定；然而，4 小时后，如果没有新加载的粘连蛋白，末端的锚定效果显著下降。这表明，尽管早期锚定主要依赖于预先存在的粘连蛋白，后期锚定则需要新的粘连蛋白加载以保持末端的稳定结合。
此外，研究人员还发现 Smc5基因敲除会导致显著的末端分离。这说明 Smc5/6 蛋白对 DSB 末端锚定具有支持作用。虽然 Exo1 和 Smc5/6 并不直接参与粘连蛋白的寡聚化，但它们通过与粘连蛋白复合体的相互作用，支持并强化了 DSB 末端的锚定。例如，Exo1 的作用在于生成单链 DNA （ssDNA） ，为粘连蛋白加载提供了稳定的结构环境；而 Smc5/6 可能通过协助粘连蛋白复合体在 DSB 末端的招募和稳定，进一步促进末端锚定的效果。这些蛋白质的相互作用增强了锚定的精确性和稳固性。
图：DSB诱导2小时后，DNA断裂末端的锚定主要依赖于MRX复合体（Mre11-Rad50-Xrs2），DSB诱导4小时后，粘连蛋白主要通过与其他相关蛋白（如Exo1、Scc2/4、Smc5/6 和 Pds5）相互作用进行锚定，而不再需要MRX复合体。
本文揭示了粘连蛋白复合体的寡聚化在 DNA 双链断裂（DSB）修复中的关键作用。粘连蛋白在修复早期和后期通过与不同蛋白相互作用发挥不同的锚定机制。未来研究可进一步探索 Smc5/6 等因子在此过程中的分子机制，为相关疾病的治疗提供潜在靶点。
https://www.nature.com/articles/s41556-024-01552-2
制版人：十一
参考文献
1. Bordelet, H. & Dubrana, K. Keep moving and stay in a good shape to find your homologous recombination partner.Curr. Genet.65, 29–39 (2019).
2. Yang, J. H., Brandão, H. B. & Hansen, A. S. DNA double-strand break end synapsis by DNA loop extrusion.Nat. Commun.14, 1913 (2023).
3. Ström, L., Lindroos, H. B., Shirahige, K. & Sjögren, C. Postreplicative recruitment of cohesin to double-strand breaks is required for DNA repair.Mol. Cell16, 1003–1015 (2004).
4. De Piccoli, G. et al. Smc5–Smc6 mediate DNA double-strand-break repair by promoting sister-chromatid recombination.Nat. Cell Biol.8, 1032–1034 (2006).
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