俞晓春团队发现前核糖体RNA介导了DNA损伤周围DSB修复因子的募集

2022年1月4日，西湖大学俞晓春团队在 Cell Research在线发表题为“ Pre-ribosomal RNA reorganizes DNA damage repair factors in nucleus during meiotic prophase and DNA damage response”的研究论文，该研究通过分析 XY 体和 DSB 斑点中 DSB 修复因子的定位，证明 前核糖体 RNA (pre-rRNA) 介导了 DNA 损伤周围 DSB 修复因子的募集。

Pre-rRNA 存在于减数分裂前期的 XY 体（DSB 修复中心）中，并与 DSB 修复因子（如 MDC1、BRCA1 和 TopBP1）共定位。此外，前 rRNA 相关蛋白和 RNA，如核糖体蛋白亚基、RNase MRP 和 snoRNA，也位于 XY 体内。与 XY 体中的相似，前体 rRNA 和核糖体蛋白也位于 DSB 斑点并与 DSB 修复因子相关联。瞬时抑制 rDNA 转录但不影响全局蛋白质翻译的 RNA 聚合酶 I 抑制剂处理消除了 DSB 修复因子的斑点形成以及 DSB 修复。 MDC1的FHA结构域和PST重复序列识别pre-rRNA并介导DSB修复因子的相分离，这可能是DSB响应过程中DSB修复因子形成斑点的分子基础。

一旦发生 DNA 双链断裂 (DSB)，DNA 修复因子就会被募集到 DNA 损伤处并通过不同途径修复 DSB。这些 DSB 修复因子依次加载到 DNA 损伤处并在细胞核中形成不同的凝聚物，称为 DNA 损伤诱导斑点。当细胞用电离辐射处理以诱导 DSBs 时，经常观察和检查这种现象。 因此，它也被称为电离辐射诱导斑点 (IRIF)。

DSB 修复因子的斑点形成是通过 H2AX（组蛋白 H2A 的变体）在 Ser139（又名γH2AX）的磷酸化来维持的。响应于 DSB，这种位点特异性磷酸化事件由一组 PI3 样介导激酶，包括 ATM、ATR 和 DNA-PK。γH2AX 可能会延伸到远离 DNA 斑点的百万碱基，并提供一个平台，将 DSB 修复因子聚集在 DSB 附近。 尽管详细的分子机制尚不清楚, H2AX 的缺失消除了 DNA 损伤诱导的斑点并损害 DSB 修复。

除了环境危害引起的 DSBs，DSBs 也在生理相关过程中出现。一个典型的例子是减数分裂前的同源重组 (HR)。在生殖细胞的常染色体和性染色体中，DSB 由 SPO11（一种拓扑异构酶样酶）产生。然而，与拓扑异构酶不同，SPO11 不能重新连接 DSB。相反，这些 DSB 由 DSB 修复因子修复以完成 HR。由于缺乏同源性，雄性生殖细胞中的 X 和 Y 染色体不能使用经典 HR 来修复 SPO11 诱导的 DSB。因此，X 和 Y 染色体上的 DSB 存在时间延长，导致广泛的 DNA 损伤反应。 在减数分裂前期，各种 DNA 损伤修复因子集中在这两条性染色体中，形成类似相分离的结构，称为 XY 体。

rRNA 位于 XY 体内（图源自 Cell Research）

这种类似相分离的结构覆盖了整个 X 和 Y 染色体。由于 XY 体的明显生物标志物是 γH2AX，研究人员提出 XY 体是迄今为止人类细胞中最大的 DNA 损伤焦点。有趣的是，在 XY 中有两种不同的 DSB 修复因子定位模式。DSB 响应因子，例如 γH2AX 和 MDC1，覆盖 XY 体的整个区域； 相反，X 和 Y 染色体的未突触区域被 HR 修复机制修饰，包括 RAD51、BRCA1、TOPBP1 等。 然而，这些修复因子在 DNA 损伤处相分离的基本分子机制尚不清楚。

最近关于相分离的研究表明， RNA 是无膜核体形成的重要组成部分。然而，参与 DNA 损伤诱导的斑点形成的 RNA 种类仍然难以捉摸。特别是，DNA 损伤诱导的斑点形成是一种进化上保守的现象。尽管已经提出一些 RNA 种类来调节 DNA 损伤诱导的斑点形成，这些 RNA 在进化过程中没有一个是保守的，这表明 DNA 损伤诱导斑点的主要 RNA 成分尚未透露。 该研究通过分析 XY 体和 DSB 斑点中 DSB 修复因子的定位，证明前核糖体 RNA (pre-rRNA) 介导了 DNA 损伤周围 DSB 修复因子的募集。

Pre-rRNA 存在于减数分裂前期的 XY 体（DSB 修复中心）中，并与 DSB 修复因子（如 MDC1、BRCA1 和 TopBP1）共定位。此外，前 rRNA 相关蛋白和 RNA，如核糖体蛋白亚基、RNase MRP 和 snoRNA，也位于 XY 体内。与 XY 体中的相似，前体 rRNA 和核糖体蛋白也位于 DSB 斑点并与 DSB 修复因子相关联。瞬时抑制 rDNA 转录但不影响全局蛋白质翻译的 RNA 聚合酶 I 抑制剂处理消除了 DSB 修复因子的斑点形成以及 DSB 修复。 MDC1的FHA结构域和PST重复序列识别pre-rRNA并介导DSB修复因子的相分离，这可能是DSB响应过程中DSB修复因子形成斑点的分子基础。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-021-00597-4

来源：iNature