撰文 | 阿童木

有丝分裂灾变（Mitotic catastrophe） 是一种由基因组损伤引发的复杂表型，表现形式多样，包括有丝分裂死亡、间期死亡、异常细胞分裂及基因组不稳定性增加【1】。其中，有丝分裂死亡通常伴随有丝分裂停滞，并通过BAX和BAK依赖性的非免疫性凋亡机制发生。而存活细胞则能够通过cGAS识别胞质DNA，或通过MAVS通路感知胞质RNA，激活炎症反应，从而增强STAT1激活、IRF3介导的干扰素刺激基因 （ISG） 表达及外源性致死效应【2】。然而，细胞最终命运是死亡还是存活，其具体决定机制迄今尚未完全清楚。

细胞周期中双链断裂的修复涉及四条主要途径：非同源末端连接 （NHEJ） 、同源重组 （HR） 、单链退火 （SSA） 和微同源末端连接 （MMEJ）【3】。NHEJ不需要末端切除，在G1、S和G2期均活跃。HR和SSA主要在S期和G2期发挥作用，而MMEJ则在G1期之外的阶段更为活跃。NHEJ通过DNA-PKcs和LIG4直接连接DNA断端，而SSA和MMEJ则通过暴露单链DNA （ssDNA） 序列对接修复，分别依赖于RAD52和POLθ。

作为一种高保真修复机制，同源重组通过互补序列修复DNA断裂。研究表明，ATR激酶磷酸化PALB2并促进其与BRCA2结合，进而将二者加载到断裂位点，通过RAD51核丝体的形成完成DNA修复【4】。这一过程中可能形成双Holliday结 （dHJ） 中间体，其溶解依赖于BTR复合体，或在G2/M期及有丝分裂期间依赖SLX4或GEN1进行裂解【5】。

近日，悉尼大学Harriet E. Gee和Anthony J. Cesare实验室等合作在Nature Cell Biology杂志上发表了题为Homologous recombination promotes non-immunogenic mitotic cell death upon DNA damage的研究文章，揭示了细胞周期调控的双链断裂修复途径决定细胞死亡方式的调控机制。该研究发现，在同源重组（HR）路径中形成的有毒中间体通过诱导纺锤体组装检查点（SAC）依赖的有丝分裂死亡，抑制了免疫信号的激活；而NHEJ、SSA和MMEJ路径则支持细胞存活并延迟死亡。这项研究明确了DNA修复途径与细胞周期调控时序性对细胞命运的决定性作用，并为辐射疗法的优化提供了新策略。

研究表明，电离辐射诱导的死亡模式与细胞周期阶段密切相关。通过三色FUCCI细胞标记系统，作者监测了p53功能受损的HeLa细胞的单细胞周期，发现S期和G2期受到辐射的细胞常常在首次有丝分裂时发生“即刻有丝分裂死亡” （immediate mitotic death） ，而G1期细胞则通常经历一个完整细胞周期后才会发生“延迟致死”。进一步分析表明，有丝分裂死亡依赖于SAC，并且随着辐射剂量的增加，有丝分裂停滞时间显著延长，死亡概率也随之升高。相比之下，p53野生型细胞通常在G0/G1期停滞，从而避免即刻死亡。因此，细胞周期调控机制及DNA损伤修复的时序性对辐射引发的有丝分裂灾变具有决定性作用。

此外，研究揭示了不同修复路径对细胞存活与死亡的特定影响。例如，NHEJ因子 （如DNA-PKcs和LIG4） 的抑制使得G1期受辐射细胞更容易发生即刻死亡，但对S/G2期的细胞影响较小。相比之下，HR关键因子RAD51通过链入侵而诱导即刻有丝分裂死亡，其抑制剂RI(dl)-2能够显著缓解这一死亡趋势。

作者还发现HR下游的dHJ中间产物在SAC依赖的有丝分裂停滞和死亡过程中起着至关重要的作用。RTEL1、RMI2或SLX4的抑制加剧了这一效应，而BRCA2或PALB2的联合抑制则能有效减轻即刻死亡的发生。同时，ATR依赖性HR途径中间产物，特别是dHJ的异常清除，会在有丝分裂期间激活SAC，进而诱发灾变。

研究进一步表明，同源重组 （HR） 中的关键因子BRCA2和PALB2通过促进RAD51聚集，导致经辐射的G2期细胞发生即刻有丝分裂停滞和死亡。抑制这些因子或HR上游因子ATR，可显著减少即刻有丝分裂死亡，并促使细胞经历延迟的间期死亡，然而这些因子并不直接调控SAC。可见，HR因子在DNA损伤修复及细胞周期调控中至关重要。

在染色体水平上，S/G2期辐射的细胞表现出辐射状染色体和染色单体融合，而G1期辐射的细胞则主要呈现多中心染色体和环状染色体。抑制RAD51可以拯救即刻的有丝分裂死亡，但伴随染色体异常的增加。相反，RAD52或POLθ的抑制可以减少染色体异常的发生，但会导致更高的有丝分裂死亡率。这表明RAD51和RAD52在辐射引起的染色体结构异常及有丝分裂存活的调控中发挥着不同的作用，并可能通过协调DNA修复路径在细胞周期中发挥作用。

细胞遗传学分析表明，不同细胞周期阶段的辐射会引发特异性的染色体结构异常，如S/G2期细胞中出现辐射状染色体，而G1期细胞则更多出现多中心染色体或环状染色体。靶向WAPL（染色体凝聚调控因子）能够有效抑制染色体的粘连疲劳（Cohesion fatigue），并减少有丝分裂死亡，进一步证明了该因子在细胞存活和分裂调控中的重要作用。

此外，作者还探究了凋亡途径的激活与有丝分裂死亡间的关系。研究发现，半胱天冬酶-3和半胱天冬酶-7的活性在辐射后迅速上升，并与即刻有丝分裂死亡和延迟死亡相关；相比之下，半胱天冬酶-8的活性在稍晚阶段达到峰值，并伴随ISG表达的增强。即刻有丝分裂死亡主要通过BAX和BAK介导的内源性凋亡机制完成，而延迟死亡则更多依赖外源性机制。

最后，研究分析了辐射后细胞死亡与免疫应答之间的关系。结果表明，即刻死亡的细胞中，染色体异常被发现抑制了干扰素信号的激活，而通过VE-822或WAPL siRNA抑制即刻死亡的细胞则能显著增强免疫反应。TCGA数据进一步支持了这种关联，表明染色体凝聚与干扰素基因表达存在正相关关系。不同HR修复能力的细胞系在辐射后的存活表现也证实了HR在有丝分裂灾变中的关键作用。

综上所述，本研究揭示了电离辐射引发有丝分裂灾变的机制，发现同源重组（HR）路径产生的有毒中间体是区分免疫原性和非免疫原性死亡的关键因素。HR通过诱导SAC依赖的有丝分裂停滞和死亡，抑制干扰素信号，而NHEJ、SSA和MMEJ途径协作支持细胞完成首次分裂并经历延迟死亡。研究还表明，靶向HR或染色体凝聚调控因子（如WAPL）能显著影响细胞死亡模式。本研究为辐射疗法的优化提供了重要参考。

https://www.nature.com/articles/s41556-024-01557-x

制版人：十一

参考文献

1. Vitale, I., Galluzzi, L., Castedo, M. & Kroemer, G. Mitotic catastrophe: a mechanism for avoiding genomic instability.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.12, 385–392 (2011).

2. Harding, S. M. et al. Mitotic progression following DNA damage enables pattern recognition within micronuclei.Nature548, 466–470 (2017).

3. Scully, R., Panday, A., Elango, R. & Willis, N. A. DNA double-strand break repair-pathway choice in somatic mammalian cells.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.20, 698–714 (2019).

4. Forget, A. L. & Kowalczykowski, S. C. Single-molecule imaging brings Rad51 nucleoprotein filaments into focus.Trends Cell Biol.20, 269–276 (2010).

5. Bizard, A. H. & Hickson, I. D. The dissolution of double Holliday junctions.Cold Spring Harb. Perspect. Biol.6, a016477 (2014).

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