引言
DNA在复制过程中整体遵循对称性，即双链打开后，两条链各自作为模板，分别合成新的子链。尽管如此， DNA参与的细胞内许多过程却是链不对称的，例如：（1）在DNA复制过程中，不同的酶分别合成前导链和后随链；（2）转录过程仅使用DNA的一条链作为模板；（3）通常转录因子与DNA双螺旋的一侧结合；（4）DNA的交替链面向或远离核小体核心。由于这些过程是不对称的，因此DNA发生突变在经历这些过程后都可以导致细胞内不对称突变模式的累积【1-2】。
肿瘤基因组经历了多样化的突变，这些突变往往经历了数十年的累积【3】，因此，这使得探索它们在空间和时间上产生突变不对称的相对作用中具有很大的挑战性。尽管过去的研究已经解析了DNA的损伤和修复的机制，但是这种链不对称模式对DNA损伤和修复的相对贡献仍然知之甚少。
近日，来自英国爱丁堡大学遗传与癌症中心的Martin S. Taylor研究团队、剑桥大学癌症中心的Sarah J. Aitken和Duncan T. Odom研究团队合作在Nature杂志上发表题为Strand-resolved mutagenicity of DNA damage and repair的研究论文，该研究揭示了链不对称机制如何影响DNA损伤的形成、耐受和修复，从而影响癌症基因组的进化。
为了在全基因组范围内探索DNA的不对称损伤和修复机制，作者使用了一种二乙基亚硝胺（DEN；一种由肝细胞表达的酶Cyp2e1激活的烷化剂）诱导的小鼠肝癌模型。在该模型中，DEN的诱导会导致DNA碱基发生损伤，这种损伤被称为DNA病变，在随后的细胞周期中被遗传并形成突变。而病变分离是指含有损伤的病变链分离到不同的子细胞中，导致显著的、大规模的染色体突变不对称性。在一个克隆扩增的细胞群体中，比如肿瘤，这种不对称性可以识别出每个肿瘤所继承的受损DNA链。使用这种方法，可以确定每个肿瘤约50%的常染色体基因组和整个X染色体中包含病变的链。因此，作者分析了来自98只小鼠的237个不同克隆肿瘤的数据，解析出了超过700万个碱基替换突变的病变链，并且发现大多数的突变来自病变链上的T核苷酸，这些分析结果与之前对DEN诱导肿瘤的分析是一致的。基于对肝细胞复制叉方向的测量和对突变不对称模式的分析，作者推测含有损伤的链是否优先作为模板进行前导或后随链的复制。通过对肿瘤的基因组位点进行整体分析，作者发现，与含有损伤的模板相比，合成的后随链突变率明显升高。此外，基因的转录方向也与复制的方向相关，作者测量了全基因组的表达情况，结果发现转录方向强烈偏向于复制叉移动的方向，并且这种影响在极端复制偏倚的区域更加明显。之前在细菌和酵母中的研究发现当聚合酶在受损碱基处进行复制时，保真度会降低，形成突变簇。与这些模型一致，作者发现彼此相距10个核苷酸以内的突变显著增加，这种富集在1-2个核苷酸间距处最为明显，经过一个DNA螺旋（大约10个核苷酸）后减少，并在20个核苷酸内衰减到基础水平。通过对突变簇进行定向，作者发现上游突变显示出与整体肿瘤非常相似的突变谱，相比之下，下游突变具有独特的突变谱，更倾向于G到T的突变。进一步的分析发现，这些跨损伤的突变类型主要是插入和缺失突变以及碱基替换。接下来作者开始探索转录对DNA修复和突变的影响。作者分析了肝脏RNA测序数据，结果显示新生转录估计值与突变率的相关性比稳态转录水平更强，并且逐渐增加的转录降低了模板链损伤的突变率。此外，作者也发现非模板链也显示出随着转录的增加，突变率略有下降，但所产生的突变特征与模板链上的不同。因此，通过比较多等位基因突变率可以确定非模板链上的突变抑制是由增强的修复还是减少的损伤引起的。对于模板链上的损伤，随着转录的增加，多等位基因率降低，非模板链损伤的多等位基因率也随着更多的转录而降低，揭示了增强的修复而非减少的损伤。结合两条链的独特修复特征，表明在表达基因中，除了模板链特异性的修复外，还有非模板链的转录相关修复活动。最后作者发现最能有效修复的基因组区域也特别容易发生修复引起的突变。基于转录偶联核苷酸切除修复（NER）在细菌和酵母中会导致突变的证据，作者提出了多种正交分析来支持哺乳动物体内存在跨损伤再合成诱导突变（TRIM）的结论。此外，作者还发现NER-TRIM并不完全依赖于转录修复，而是更普遍地来自于对相反链上近距离损伤的修复。虽然NER-TRIM突变只占损伤诱导突变的一小部分，但它们特别偏向于功能重要的位点。总之，这项研究在单链、单碱基的高分辨率水平上探索了体内突变生成和修复的机制，并因此将不同的DNA损伤与不同的修复区分开来。这种强大的方法对不对称机制如何在DNA损伤的形成、耐受和修复中起作用，从而塑造了癌症基因组的进化提供新的见解。
参考文献
1. Alexandrov, L. B. et al. The repertoire of mutational signatures in human cancer. Nature 578, 94–101 (2020).2. Afek, A. et al. DNA mismatches reveal conformational penalties in protein–DNA recognition. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2843-2 (2020).3. Degasperi, A. et al. Substitution mutational signatures in whole-genome-sequenced cancers in the UK population. Science 376, abl9283 (2022).https://www.nature.com/articles/s41586-024-07490-1
责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“BioArt”
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