北京基因组所合作研究揭示O-GlcNAc糖基化修饰维持基因组稳定性的分子机制
DNA总是受到内源或外源环境中多种损伤因子的攻击，例如DNA复制错误、细胞代谢产物、电离辐射、紫外线照射和化疗试剂等，这些因素都会引起DNA损伤的产生。如果不能够及时有效修复DNA损伤，将会导致基因组不稳定性，进而诱发多种人类疾病，如肿瘤、神经退行和出生缺陷。为了维持基因组稳定性，生物体进化出了一套保护机制来监控DNA损伤并及时修复，这一机制即为DNA损伤应答。
中国科学院北京基因组研究所郭彩霞研究组与动物研究所唐铁山研究组合作，通过质谱技术发现跨损伤合成DNA聚合酶Polη第457位苏氨酸能够发生一种新的蛋白质翻译后修饰：氧连糖基化修饰（O-GlcNAcylation）。已知在紫外线辐射或者顺铂等化疗试剂暴露条件下，跨损伤合成DNA聚合酶Polη被招募到复制叉处替换高保真性DNA复制酶，在相应的损伤DNA模板对侧整合正确的核苷酸，从而促进复制叉的继续前行。但是，与高保真的DNA复制酶相比，Polη复制未损伤DNA模板的错误率显著升高（10-2~10-3），极易导致遗传信息不能够正确地从亲代细胞传递到子代细胞中，因此它到复制叉的招募和移除必须受到严格调控，然而关于Polη在TLS完成后如何从复制叉解离还不很清楚。研究发现干扰Polη的氧连糖基化修饰虽然不影响其被招募到受阻复制叉处及其在损伤DNA模板对侧整合核苷酸的能力，但显著削弱了Polη与CRL4CDT2 E3泛素连接酶之间的相互作用，降低了第462位赖氨酸的多泛素化修饰水平，进而抑制了p97-UFD1-NPL4复合体所介导的Polη与复制叉分离的过程，导致细胞内突变率上升、细胞对紫外线和顺铂试剂敏感性增强、DNA复制叉移动速率变缓等。该项研究工作揭示了Polη 氧连糖基化修饰与泛素化修饰之间的互作关系，以及DNA复制过程中多种DNA聚合酶转换的分子机制。Polη在多种肿瘤细胞中表达显著升高，与顺铂等化疗药物的耐药性产生密切相关，同时也与非小细胞肺癌患者的生存期呈负相关。
该发现首次报道氧连糖基化修饰参与调控细胞跨损伤合成过程并维持基因组稳定性，从DNA损伤应答角度揭示了对营养水平敏感的氧连糖基化修饰调控基因组稳定性和肿瘤耐药性的分子机制，为解决顺铂等化疗药物的耐药性提供新的思路和策略，有望改善部分肿瘤患者的生存状况。
这项研究工作以“Polη O-GlcNAcylation governs genome integrity during translesion DNA synthesis”为题于2017年12月5日在Nature Communications在线发表。中国科学院北京基因组研究所马晓璐博士、动物所刘红美博士和首都师范大学李静副教授为共同第一作者，郭彩霞研究员和唐铁山研究员为共同通讯作者；本研究工作得到了北京生命科学研究所董梦秋研究员、北京蛋白质组研究中心徐平研究员和北京基因组所赵永良研究员的大力支持。该研究获得了国家自然科学基金委、科技部等的资助。
O-GlcNAc糖基化修饰调控Polη与复制叉解离的分子机制示意图
