DNA修復：解密癌細胞的端粒延長機制

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來源：生命奧秘

染色體末端，即端粒不斷變短限制了細胞的壽命。一些癌症細胞通過一種名為端粒替代延長的機制來避免這一命運，但這一機制的具體分子細節還有待進一步探究。

細胞分裂期間，基因組的複製由DNA聚合酶實現。然而，每個染色體的末端是不完全複製的，這是因為DNA聚合酶需要5端"RNA引物，才能進行合成。這意味著DNA末端的重複序列——端粒在每次分裂時都會縮短。這種縮短限制了大多數細胞的複製壽命。在癌症發展過程中，細胞有兩種方法避免端粒縮短，通過上調端粒酶（延伸端粒的酶），或通過激活端粒替代延長通路（一種基於DNA修復常見通路同源重組的通路，名為alternative lengthening of telomeres, ALT）。11月份的《自然》（Nature）雜誌54頁中，Dilley等人揭示了一種ALT機制，並且鑒定出介導該過程的特殊DNA聚合酶。

同源重組期間，染色體中的雙鏈DNA損傷後，DNA聚合酶會使用來自配對染色體的同源DNA分子作為模板，修復DNA損傷。使用ALT通路的癌細胞通常在端粒處的DNA損傷水平更高，這可能促進端粒處DNA損傷的修復。在人源ALT癌細胞系中，端粒處同源重組增強的具體體現為，姐妹染色質端粒的交換增多，以及一條染色質上的NDA標籤複製到另一條染色體上。估計10-15％的腫瘤使用ALT來維持其端粒長度，因此ATL是癌症治療的重要靶標。然而，解析ALT的基礎的分子機制一直具有挑戰性。

端粒可能使用兩種方法通過同源重組來維持其長度。第一種方法中，姐妹端粒之間的不等DNA交換，會產生一個更長的端粒和一個更短的端粒，子細胞會繼承這種特殊長度的端粒。繼承更長端粒的細胞的增殖能力優於短端粒的細胞。第二種方法中，端粒DNA通過端粒模板來合成。端粒模板有兩種來源，一種是姐妹染色體端粒中的現有片段，一種是ALT細胞中發現的、被稱為染色體外端粒（extrachromosomal telomeric DNA）的重複DNA游離分子。

Dilley等人的研究成果強有力地支持了第二種模式。為了促進ALT細胞中的同源重組，他們利用了以前設計的一種靶向端粒雙鏈DNA損傷系統。該系統將切割DNA的Fok1核酸酶與端粒結合蛋白TRF1蛋白融合在一起，從而靶向性地在端粒處產生雙鏈DNA損傷。他們發現，已知使用ALT的細胞中引入TRF1-Fok1系統後，端粒DNA的合成增加了十倍。此外，他們證明了，這種合成是單向和連續的——能夠合成20千鹼基長的端粒重複序列（平均ALT端粒的長度）。這種合成模式的動力學與ALT細胞中能造成端粒長度大幅波動的合成模式的動力學類似。

這種DNA合成的特徵和動力學非常類似於斷裂誘導複製——缺乏端粒酶的酵母菌株中的端粒維持機制。斷裂誘導複製是一種特殊的同源重組，指單鏈DNA受到損傷後，細胞利用遺傳相似的模板來修復DNA。Dilley等人把這一過程稱為是哺乳動物ALT細胞的「斷裂誘導端粒合成」。

Dilley等人接下來開始研究負責斷裂誘導端粒合成的蛋白質。蛋白Rad51在同源重組中具有關鍵作用，並且是酵母中斷裂誘導複製所必需的酶。但令人驚訝的是，Dilley等人發現，Rad51對於ALT細胞中的斷裂誘導端粒合成是不必要的。相反，他們在ALT細胞的DNA損傷位點處發現了一種由聚合酶POLδ和蛋白質PCNA、RFC1-5組成的複合物，而這種複合物正是斷裂誘導端粒合成所必需的酶（圖1）。他們由此推測，這種非典型複合物是ALT細胞中端粒合成的主導途徑。

圖1 一些癌細胞通過端粒替代延長機制來維持染色體末端端粒的長度。Dilley等人揭示了名為斷裂誘導端粒合成的過程，該過程是ALT的主要通路。a，幾種情況下，包括細胞分裂過程中的端粒縮短，或端粒DNA包裝出錯，端粒中都會出現雙鏈DNA斷裂。b，在ALT細胞中，蛋白複合物RFC1-5快速結合於端粒中的雙鏈斷裂處。c，RCF1-5募集蛋白質PCNA和DNA聚合酶POLδ到斷裂處。這種蛋白質複合物使用DNA的互補鏈作為模板，合成長的DNA鏈，從而複製端粒。

雖然Dilley等人揭示了癌細胞中ALT的機制，但同時也提出了一系列新問題。例如，他們證明，在ALT和端粒酶生產細胞中都能引發斷裂誘導的端粒合成，那為什麼大部分癌症細胞並不採用ALT來維持端粒長度？目前尚不清楚什麼誘導了ALT機制，以及那些使用ALT的10-15％的癌細胞如何維持ALT機制。作者們提供了一種可能的解釋——ALT細胞持久性端粒損傷率比其它癌細胞高。

或者，可能是組蛋白包裹端粒DNA的方式有變化。已有研究表明，阻斷組蛋白功能，能在細胞中誘導ALT樣特徵，表明端粒組蛋白的變化和ALT機制之間存在聯繫。此外，人類ALT腫瘤中染色質重塑蛋白複合物ATRX-DAXX的突變發生概率很高。Dilley等人的工作並沒有解釋，ATRX-DAXX複合物中的突變如何導致ALT。這個問題值得深入研究。

Dilley等人發現的斷裂誘導端粒合成與ALT之間的聯繫，可能幫助我們進一步了解ALT在人類癌細胞中如何啟動和維持。在未來，對這些過程的更深入的理解可能推動ALT型癌症的治療。

原文檢索：

Caitlin M. Roake & Steven E. Artandi. (2016) DNA repair: Telomere-lengthening mechanism revealed. Nature, 539 (1038): 35-36.

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