Nature | CFAP20拯救停滞RNAPII：破解同向转录-复制冲突的基因组保护机制|dna|同向转录|复合物|核内|细胞|表型

撰文 | 水王星

DNA 复制与转录过程共享同一套基因组模板，二者的精准协调是维持基因组稳定性的核心前提。当两大分子机器发生碰撞时，可能引发 DNA 损伤、基因组不稳定甚至肿瘤发生。根据碰撞方向，可分为反向碰撞（head-on，HO）和同向碰撞（co-directional，CD）。反向碰撞因危害更显著而被广泛研究，而占更多数的同向碰撞，其调控机制长期未被阐明。尤其在启动子区域，RNA聚合酶II （RNAPII）常发生启动子近端停滞并形成R-loop结构，而DNA复制起点也多靠近启动子，使得同向转录-复制冲突风险极高。如何在RNAPII高效转录的同时，避免其与同向复制体发生致命碰撞，成为亟待解决的科学问题。

近日，来自荷兰莱顿大学医学中心、德国亥姆霍兹慕尼黑中心等机构的 Martijn S. Luijsterburg 团队在 Nature 发表题为 CFAP20 salvages arrested RNAPII from the path of co-directional replisomes 的研究论文。该研究通过全基因组CRISPR筛选、单细胞测序及分子生物学实验，揭示了纤毛相关蛋白CFAP20的全新核内功能。作为基因组保护因子，CFAP20通过拯救启动子近端停滞的RNAPII，清除R-loop积累，避免其与同向复制体发生冲突，从而维持基因组稳定性。这一发现填补了同向转录-复制冲突调控机制的空白，为理解基因组稳态维持及相关疾病发生提供了全新视角。

CFAP20此前被认为仅参与纤毛结构与功能调控，而本研究首次发现其在细胞核内的关键作用。研究团队通过两轮全基因组CRISPR筛选（分别针对转录停滞剂 illudin S和复制抑制剂CD437敏感基因），发现CFAP20与已知的转录-复制冲突响应因子（如 9-1-1 复合物亚基 RAD9、HUS1、RAD1）共同高得分，提示其可能参与转录与复制的协调过程。荧光定位实验证实，GFP标记的CFAP20不仅定位于纤毛，更显著富集于细胞核内，为其核内功能提供了直接证据。

研究团队构建 CFAP20 完全敲除细胞系（ CFAP20 -KO）后发现，缺失CFAP20会导致细胞内R-loop水平翻倍，且这些R-loop特异性富集于启动子区域，尤其在与复制起点同向取向（CD）的转录起始位点（TSS）附近。R-loop的异常积累引发一系列复制缺陷：复制叉速度显著加快，而复制起点活性继发性降低，姐妹复制叉对称性破坏，同时伴随单链 DNA （ssDNA）缺口积累。有趣的是，这些表型与 BRCA1 敲除细胞的R-loop积累表型相似，但CFAP20-KO细胞对PARP抑制剂不敏感，提示其通过独特机制调控基因组稳定性。

深入机制研究揭示，CFAP20的功能与中介体复合物（Mediator complex）紧密相关。中介体复合物通过增强RNAPII在启动子的结合与转录活性，增加转录应激风险，而CFAP20恰好通过抵消这一效应维持平衡。遗传筛选发现，敲除中介体复合物亚基 CCNC （编码cyclin C，中介体激酶模块的一个亚基）可显著挽救 CFAP20 -KO细胞的生长缺陷、R-loop 积累及复制异常；而CCNC的Mediator 结合突变体（D182A）无法恢复这些表型，证实中介体复合物的转录激活功能是 CFAP20 -KO细胞表型的关键驱动因素。进一步实验表明，CFAP20通过与 RNAPII直接相互作用，促进停滞RNAPII的延伸效率，减少其与R-loop的结合，从而为同向复制体开辟通路。

为区分CFAP20的纤毛功能与核内功能，研究团队利用斑马鱼模型进行验证。 CFAP20 -KO斑马鱼幼虫表现出典型的体轴弯曲表型，而显微注射人源 CFAP20 野生型或R100C突变体mRNA均可挽救该纤毛相关缺陷；但在细胞水平，R100C突变体无法挽救 CFAP20 -KO细胞的R-loop积累和复制异常。这一结果明确表明，CFAP20的纤毛功能与核内基因组保护功能相互独立，R100残基是其核内功能的关键位点。

研究还提出了 “阻断-触发” （block-trigger）模型解释CFAP20的作用机制：在 CFAP20缺失情况下，同向启动子区域的R-loop作为 “阻断物” 阻碍复制叉前进，而停滞的RNAPII作为“触发器”诱导远端复制叉加速，以补偿部分复制缺陷；但复制叉加速会进一步导致ssDNA缺口积累，形成恶性循环。而CFAP20通过直接结合并拯救停滞的RNAPII，清除R-loop“阻断物”，打破这一循环，使复制叉速度与起点活性恢复正常。此外，联合敲除 CFAP20 与RNAPII降解相关因子，或过表达RNaseH1 （降解 R-loop）与 α-amanitin （降解 RNAPII），可完全挽救 CFAP20 -KO细胞的复制缺陷，证实R-loop与停滞RNAPII的共同存在是引发复制应激的必要条件。

该研究的发现有着多重关键价值。首先，它打破了CFAP20的功能局限，揭示其 “纤毛蛋白-基因组保护因子” 的双重身份，拓展了对多功能蛋白的认知。其次，首次阐明了同向转录-复制冲突的特异性调控机制，弥补了长期以来该领域的研究缺口，完善了转录-复制冲突调控的分子网络。再者，CFAP20在多种肿瘤中存在高频突变（如 COSMIC 数据库中的 R100C/H突变），且CRISPR筛选显示周期蛋白E1扩增的卵巢癌和子宫癌细胞对CFAP20缺失敏感，提示CFAP20可能成为肿瘤治疗的潜在靶点。

值得注意的是，该研究还为相关疾病机制研究提供了新线索。CFAP20突变此前与视网膜色素变性相关，而本研究发现的R100C突变虽不影响纤毛功能，但破坏基因组稳定性，暗示部分CFAP20相关疾病可能源于其核内功能缺陷而非纤毛异常。未来，深入探究CFAP20突变在肿瘤及遗传病中的作用，或将为这些疾病的诊断与治疗提供新策略。