小心！基因组维稳帮手也可能是危险的来源

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撰文 | 十一月

细胞中存在多种多样的突变过程，因此细胞中具有多种策略来确保的基因组完整性，比如高保真的DNA复制和DNA修复过程来对抗外源性和内源性的DNA损伤【1,2】。转录过程中靶向DNA修复的区域表达基因，在DNA损伤后降低其突变率。虽然存在这种靶向修复机制，但是在微生物中转录过程本身会诱导突变，这一现象被称为转录相关突变（Transcription-associated mutagenesis，TAM）【3，4】。在酵母中，拓扑异构酶Top1是是TAM的主要来源，并导致串联重复序列上有一个独特的2-5 bp转录依赖的缺失。一般来说，拓扑异构酶被认为通过减轻基因组三维结构压力来保护基因组的稳定性，是基因组维稳的关键。因此，转录相关突变以及拓扑异构酶活性之间的关系仍然是未知的。

2022年2月9日，英国爱丁堡大学Andrew P. Jackson研究组、Martin S. Taylor研究组以及Martin A. M. Reijns（第一作者）合作在Nature上发表文章Signatures of TOP1 transcription-associated mutagenesis in cancer and germline，发现拓扑异构酶介导的转录相关突变，并且该突变与癌症以及生殖细胞系中均有发生。

根据癌症体细胞突变分类，2-5bp的缺失的被称为ID4，通常会在短重复序列中丢失单个重复单元。除了小于五个重复的短串联重复缺失，ID4还包括微同源性缺失特别是2 bp的单核苷酸缺失。但这些缺失都与已知的复制滑移以及非同源或者微同源末端连接等突变机制不同，作者们发现这些缺失与酵母中拓扑异构酶Top1诱导的转录相关突变有着一定的相似性（图1）。因此，作者们对酵母中已发表的全基因组突变累积实验进行重新分析，用到了一个对Top1-TAM特别敏感的RNase H2/RER缺乏品系，该品系基因组内大量积累核糖核苷酸。

图1 癌症体细胞ID4突变特征与酵母中拓扑异构酶诱导转录相关突变具有相似性

为了评估是否是由于转录诱导突变引发人类细胞细胞中indel的形成，作者们开发了一种报告基因，可以以足够的敏感性以及特异性检测哺乳动物中TOP1活性引起的突变事件。该报告基因系统类似于Traffic Light报告基因分析启发的方法【5】，在单个转录单元中使用两种选择方式，在没有突变的情况下，潮霉素抵抗基因HygroR表达；而在基因组中有2bp的删除时候潮霉素抵抗基因HygroR不能表达，NeoR表达，从而可以利用双重选择性对基因组indel进行检测（图2）。作者们将该报告基因插入酵母基因组中，从而评估RER和/或Top1缺失情况下菌株的突变率。作者们发现与野生型相比RNase H2/RER缺失品系突变率显著提高，但是当同时引入Top1缺失后突变频率升高的现象会被废除。因此可以得出结论，酵母基因组中的确存在Top1依赖的转录相关突变。

图2 “交通灯”报告基因工作模型

那么拓扑异构酶依赖的转录相关突变现象在人类细胞中是否保守呢？为此，作者们在人类细胞中使用了相似“交通灯”报告系统，只是NeoR被PuroR基因取代，报告基因表达来自哺乳动物普遍存在的CAG启动子以及允许在哺乳动物细胞中快速选择的抗生素。作者们发现TOP1诱导体细胞突变在不同的组织和细胞环境中都是保守的，并表明这个过程可以在癌症环境中检测到。

进一步的，作者们希望进一步拓扑异构酶诱导转录相关突变的特征进行刻画。作者们的目光集中在2bp的缺失上，这一删除事件发生频率更高。通过缺失周围序列特征分析，作者们发现缺失中至少会删除掉一个胸腺嘧啶，这是因为拓扑异构酶TOP1倾向于在磷酸二酯键上直接将上游的胸腺嘧啶切掉（图3）。最终作者们确定所识别的序列是TNT motif，这一基序在全基因组上并不算常见，但是在短串联重复缺失以及微同源性缺失中均存在。

图3 拓扑异构酶TOP1诱导转录相关突变发生

因为在人类癌症中多个基因位点也存在删除，所以作者们相对癌症中拓扑异构酶TOP1诱导的突变特征进行检测。作者们发现在慢性淋巴细胞白血病中，拓扑异构酶TOP1诱导的转录相关突变的确存在，而且会在RNase H2缺陷的肿瘤中富集，而且随着TOP1活性的增加，2-5bp的缺失频率明显增加。这说明TOP1活性和转录水平也与癌症细胞中缺失突变频率相关。

TOP1介导的突变与其他癌症的相关性，证实了ID4-TOP1突变特征与转录相关，并支持了人类转录相关突变的发生。另外，TOP1在生殖系中普遍表达，作者们推断它可能导致生殖系和体细胞突变。通过对父-母-子女三人全基因组测序数据库进行分析，发现其中的基因删除缺失大多数与ID4-TOP1特征一致。对2 bp删除的分析表明，大多数缺失发生在短串联重复缺失以及微同源性缺失区域。因此，ID4-TOP1突变特征也出现在人类生殖细胞中，这意味着TOP1诱导的重组突变是哺乳动物细胞中一个重要的突变过程。

总的来说，该工作发现一向被认为是维持基因组三维结构稳定性的拓扑异构酶TOP1会在诱发人类体细胞以及生殖细胞中ID4-TOP1类型的缺失突变，并且该过程是转录相关的突变过程。这一发现有助于对癌症以及生殖细胞中的突变的来源进行进一步的研究。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04403-y

制版人：十一

参考文献

1. Kunkel, T. A. Evolving views of DNA replication (in)fidelity. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 74, 91–101 (2009).

2. Ciccia, A. & Elledge, S. J. The DNA damage response: making it safe to play with knives. Mol. Cell 40, 179–204 (2010).

3. Datta, A. & Jinks-Robertson, S. Association of increased spontaneous mutation rates with high levels of transcription in yeast. Science 268, 1616–1619 (1995).

4. Herman, R. K. & Dworkin, N. B. Effect of gene induction on the rate of mutagenesis by ICR-191 in Escherichia coli. J. Bacteriol. 106, 543–550 (1971).

5. Certo, M. T. et al. Tracking genome engineering outcome at individual DNA breakpoints. Nat. Methods 8, 671–676 (2011).

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