中大新聞網(wǎng)訊（通訊員劉峰）DNA雙鏈斷裂 (DNA double-strand break, DSB) 是一種常見且高度有害的DNA損傷形式，其缺陷或失調(diào)與腫瘤、衰老以及免疫缺陷等密切相關(guān)。非同源末端連接（Non-homolouous end joining, NHEJ）和同源重組（Homologous recombination, HR）是DSB修復(fù)的兩條主要通路。對(duì)于富含重復(fù)序列的異染色質(zhì)來說，HR修復(fù)則容易造成非等位基因間的同源重組（non-allelic homologous recombination, NAHR），從而導(dǎo)致染色體的重排與畸變。因此，細(xì)胞如何調(diào)控和選擇這兩種途徑對(duì)DNA修復(fù)的精確性以及基因組穩(wěn)定性的維持至關(guān)重要。PARP抑制劑（PARPi）是臨床上治療BRCA突變?nèi)橄侔┖吐殉舶┑囊痪€靶向藥物，如果腫瘤細(xì)胞中NHEJ的某些關(guān)鍵調(diào)控因子如53BP1、RIF1等發(fā)生缺失或突變，則會(huì)導(dǎo)致HR通路重新激活，從而引起對(duì)PARPi的抗藥性。利用這個(gè)特性，可以通過全基因組水平的PARPi耐藥篩選，尋找一些能調(diào)控NHEJ/HR修復(fù)通路選擇且未知的NHEJ調(diào)控因子。
2023年6月15日，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的松陽洲課題組與孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院合作在Nature Cell Biology雜志長(zhǎng)文發(fā)表了題為“Transmembrane nuclease NUMEN/ENDOD1 regulates DNA repair pathway choice at the nuclear periphery”的研究成果。該研究利用CRISPR篩選，首次報(bào)道了核膜錨定的核酸酶NUMEN/ENDOD1參與NHEJ修復(fù)通路，并通過特異性切割3’垂懸DNA（3’overhang DNA）調(diào)控NHEJ/HR通路的選擇。NUMEN的核膜定位為核周分布的LADs進(jìn)行NHEJ修復(fù)創(chuàng)造了條件，有利于基因組穩(wěn)定性的維持。另外，NUMEN的缺失也會(huì)導(dǎo)致BRCA1突變的腫瘤細(xì)胞對(duì)PARPi產(chǎn)生耐藥。NUMEN的發(fā)現(xiàn)解釋了細(xì)胞如何根據(jù)不同染色質(zhì)狀態(tài)以及核內(nèi)空間分布選擇最有利的DSB修復(fù)方式，以最大程度維持基因組的穩(wěn)定性。
研究人員首先通過全基因組的CRISPR敲除篩選，得到一系列可造成PARPi耐藥的候選基因，其中包括已知的耐藥基因如53BP1、RNF168與SLFN11等，證明了篩選結(jié)果的可靠性。其中，ENDOD1作為一個(gè)潛在的核酸酶，在篩選結(jié)果中排名靠前且在DNA損傷修復(fù)中的作用幾乎未見報(bào)道。基于本研究中發(fā)現(xiàn)ENDOD1的一些新特征，研究人員將其重新命名為NUMEN（Nuclear membrane endo/exonuclease）。
研究人員接著驗(yàn)證了NUMEN缺失也可導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)多種DNA損傷藥物更為敏感，發(fā)現(xiàn)NUMEN同時(shí)具有核酸內(nèi)切酶和3’→5’外切酶活性，能特異切割ssDNA以及3’overhang DNA，產(chǎn)生1-4 nt 5’overhang末端，推測(cè)NUMEN參與細(xì)胞內(nèi)NHEJ修復(fù)的過程。
進(jìn)一步，研究人員確認(rèn)NUMEN敲除可以使細(xì)胞核內(nèi)3’ overhang DNA累積增加，HR總體水平升高，NHEJ通路受到破壞；過表達(dá)NUMEN則有相反的效果，從而證實(shí)了NUMEN可以促進(jìn)NHEJ并抑制HR修復(fù)，通過拮抗3’overhang形成參與調(diào)控DNA雙鏈損傷修復(fù)途徑的選擇。隨后，利用鄰近蛋白標(biāo)記技術(shù)（BioID），研究人員進(jìn)一步鑒定了NUMEN的相互作用蛋白組，確定了其核膜定位的生物學(xué)意義，發(fā)現(xiàn)NUMEN敲除導(dǎo)致LADs上的DSB修復(fù)效率顯著變慢。
最后，研究人員通過分析TCGA數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，NUMEN低表達(dá)的乳腺癌樣本中，與基因組瘢痕（Genomic Scar）相關(guān)的幾種特征都有所升高；而且NUMEN表達(dá)水平與多種腫瘤的基因組拷貝數(shù)變異（CNV）呈顯著負(fù)相關(guān)。這提示NUMEN對(duì)基因組穩(wěn)定性的維持起著重要的作用。
綜上所述，該研究揭示了NUMEN作為一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的核膜錨定核酸酶，可以對(duì)DSB末端和3’overhang DNA進(jìn)行切割，產(chǎn)生有利于NHEJ修復(fù)的底物，并調(diào)控NHEJ/HR通路的選擇。NUMEN的核膜定位促進(jìn)了LADs進(jìn)行NHEJ修復(fù)，有助于基因組穩(wěn)定性的維持。
NUMEN的作用機(jī)制模型
松陽洲教授為該論文的通訊作者，陳柏洪博士以及博士研究生葛天宇為論文的共同第一作者。中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為第一署名單位。
Nature Cell Biology雜志在同期配發(fā)題為“Guiding DNA repair at the nuclear periphery”的專評(píng)，指出該工作對(duì)研究核周的DNA損傷修復(fù)通路選擇以及HRD癌癥的治療具有重要意義。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-023-01165-1
專評(píng)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-023-01164-2
