《Cell Reports》：Genomic context influences translesion synthesis DNA polymerase-dependent mechanisms of micronuclei induction by G-quadruplexes
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本文聚焦于鳥嘌呤四鏈體（G4s）誘導微核（MNi）的機制研究。發現基因組環境影響 G4s 穩定后的復制叉停滯與重啟，且不同細胞周期依賴不同的跨損傷合成（TLS） DNA 聚合酶。這一成果為癌癥和神經疾病治療策略的開發提供了重要依據。
研究背景
鳥嘌呤四鏈體（G4s）是由鳥嘌呤堿基四重奏堆疊形成的核酸二級結構，在基因組功能調控中發揮重要作用 。其穩定性可被特定 G4 結合劑增強，這在癌癥治療方面展現出潛力。然而，G4s 誘導微核（MNi）的具體機制尚未完全明晰。微核是由染色質片段被核膜包裹形成的額外核細胞器，它的出現與染色體不穩定相關，可導致染色體碎裂和免疫反應激活，影響癌癥發展和治療效果。
研究結果
- G4 穩定可在細胞周期多個階段觸發染色體不穩定：研究人員用 10 μM 吡啶并嘧啶（PDS）處理 HeLa 細胞，發現無論是 S 期還是非 S 期，G4 穩定均會增加微核、后期橋和滯后染色體的水平，且非 S 期細胞的誘導程度略高于 S 期。此外，乳腺癌 2 型易感蛋白（BRCA2）基因沉默會增加 PDS 誘導的微核，而 Mre11 核酸酶活性的化學抑制可消除所有類型微核的形成，表明 G4 依賴的微核刺激在 BRCA2 沉默細胞中可被 Mre11 抑制劑挽救 。
- DNA 雙鏈斷裂并非 G4 穩定的即時反應：通過實驗發現，1 小時的 G4 穩定處理不會增加 DNA 雙鏈斷裂（DSB），如中性彗星試驗、S139 磷酸化組蛋白 H2AX（?H2AX）焦點和細胞含量檢測所示 。而持續的 G4 穩定和復制壓力才會導致 DSB。與之對比，喜樹堿（CPT）處理則會迅速誘導高水平的 DSB，盡管兩種藥物誘導的微核水平相當，但在 DSB 產生和對 S 期持續時間的影響上存在顯著差異。
- 微核在早期 S 期由穩定的 G - 環誘導產生：利用雙脈沖新生 DNA 標記協議，研究發現 PDS 在細胞周期的各個階段均能觸發微核形成，但 RNaseH1 過表達可完全消除早期 / 中期 S、晚期 G1 和早期 G1/G2M 期的微核形成，而在晚期 S 期則無此效果 。這表明晚期 S 期的微核形成機制與 R - 環無關。進一步研究發現，PDS 誘導的 R - 環在早期復制起始區高度富集，且這些區域轉錄活性高。轉錄延伸抑制劑 5,6 - 二氯 - 1-α-D - 核糖基苯并咪唑（DRB）可抑制 G4 誘導的晚期 G1 和早期 / 中期 S 期的微核形成，說明轉錄延伸在微核形成中起重要作用。
- PrimPol 在晚期 S 期觸發微核形成中起關鍵作用：PrimPol 是負責在 G4 停滯的叉處重新引發 DNA 合成的主要酶。研究表明，在晚期 S 期，沉默 PrimPol 或敲除其基因可顯著降低 PDS 誘導的微核水平，而在其他階段則無明顯影響 。這表明 PrimPol 的活性在晚期 S 期對 G4 誘導的微核形成至關重要，且其作用具有特異性。
- DNA Pol η 在微核形成機制中的作用：DNA Pol η（Pol η）在應對 G4 誘導的復制叉停滯中發揮作用，沉默 Pol η 可減少或消除所有測試階段中穩定 G4s 導致的微核增加 。在早期 / 中期 S 期，Pol η 的作用可能與 G - 環相關，它可能通過與 R - 環相互作用，促進 DNA 合成的重啟；而在晚期 S 期，盡管 Pol η 和 PrimPol 的活性均為微核形成所必需，但 Pol η 的作用似乎與 G - 環無關。
研究討論
基因組環境對 G4 穩定后的分子事件，如復制叉停滯和恢復模式，有著顯著影響。在早期 S 期，富含高度轉錄基因的區域中，G4 穩定會觸發 G - 環的形成，增加轉錄 - 復制沖突（TRC）頻率和復制叉停滯，Pol η 可通過與 G4 誘導的雜交體相互作用，在不引發 DNA 斷裂的情況下重啟 DNA 合成，但這也增加了染色體不穩定的風險 。在晚期 S 期，G4s 可能直接阻止復制叉的前進，此時 PrimPol 和 Pol η 共同參與重新引發 DNA 合成，最終導致染色體不穩定。此外，研究還發現轉錄因子 II S（TFIIS）可減少 G4 誘導的微核，表明其在 G4 誘導的 TRC 和染色體不穩定中可能發揮作用，但具體機制仍有待進一步研究 。
研究局限
本研究僅在 PDS 處理 1 小時的條件下探討了細胞對穩定 G4s 的即時反應機制，無法排除更長時間處理時依賴 DSB 的其他機制。此外，研究未能區分頭對頭和共向的 TRC，且未明確 TLS 聚合酶是否能在當前條件下延伸 G4 誘導的 G - 環 RNA，也未闡明不同化學物質穩定 G4s 的模式對微核誘導的差異影響 。
研究意義
該研究深入揭示了 G4s 誘導微核形成的機制，明確了不同細胞周期階段中參與的關鍵因子和通路。這不僅有助于我們更深入地理解基因組穩定性的維持機制，還為開發針對癌癥和神經疾病的有效治療策略提供了重要的理論基礎 。例如，通過靶向調控相關的 DNA 聚合酶或轉錄因子，可能為癌癥治療開辟新的途徑。
