揭秘：人類約2／3的癌癥發生由DNA復制錯誤導致

　　 真核細胞 DNA 復制叉及 S 期細胞周期檢驗點 受訪者供圖

　　人類約2/3的癌癥發生被認為是由DNA復制錯誤導致。

　　在正常細胞生長過程中，基因組不穩定主要來自DNA復制錯誤。過去 50 年來，停頓DNA復制叉不穩定并傾向于垮塌的原因是困擾生命科學界的核心謎題之一。

　　2021年6月10日，北京大學生命科學學院教授孔道春實驗室在美國《國家科學院院刊》在線發表論文，回答了DNA復制叉傾向于垮塌的原因，并揭示了細胞周期檢驗點（checkpoint）調控維持停頓復制叉穩定的核心分子機制。

　　解開50年謎題

　　“DNA復制錯誤主要來自DNA復制叉的不穩定。”孔道春對《中國科學報》說，“揭示checkpoint調控維持停頓復制叉穩定的核心分子機制，找到DNA復制叉不穩定的原因，人們就可以有的放矢，在疾病篩查、靶向藥物開發方面做很多工作。甚至可以在增強DNA穩定性方面有所作為，如果能讓DNA復制叉更穩定，就有可能延長人類（包括其他生命體）的壽命。”

　　孔道春解釋說，DNA復制叉主要由兩部分構成，Y字型的DNA結構和DNA復制體。DNA復制體包含一系列與復制相關的蛋白質及蛋白質復合物，其中，最重要的是打開雙鏈DNA模板的CMG解旋酶復合物，以及進行新生鏈DNA合成的DNA聚合酶。

　　“生命科學領域有很多待解謎題，而細胞周期檢驗點調控維持停頓復制叉穩定機制，是該領域的核心謎題之一。”孔道春說，“正常移動的DNA復制叉是相對穩定的，DNA復制體中的CMG解旋酶與DNA聚合酶在物理及生化功能上緊密偶聯。當DNA復制叉遭遇復制障礙停頓下來時，停頓的DNA復制叉被證明是不穩定的，傾向于垮塌。”

　　拉開機制研究帷幕

　　上個世紀60年代末，科學家在裂殖酵母里篩選到了一株突變株，命名為rad3-136。很快，研究人員發現，rad3-136突變株對羥基脲 (HU抑制dNTPs合成，導致DNA復制叉停頓）高度敏感。至此，真核細胞維持停頓DNA復制叉穩定的機制研究拉開了序幕。

　　1988年，Rad3及相關蛋白介導的細胞調控被科學家命名為checkpoint調控,Rad3被歸類為ATR激酶。

　　過去50年，前后上千個實驗室，用兩代人的時間，發表了上萬篇研究文章，證明checkpoint是維持停頓DNA復制叉穩定的必需細胞調控。在checkpoint缺失或缺陷的細胞，停頓的DNA復制叉發生垮塌，導致DNA復制不能完成，及基因組的極度不穩定。

　　但在試圖闡明checkpoint調控維持DNA復制叉穩定的機制研究方面，科學家碰到了極大阻力。阻力主要來自于checkpoint調控的靶蛋白極難被確定，已發表文章的結論也互相矛盾，導致checkpoint調控維持DNA復制叉穩定的核心機制長期難以確定。

　　闡明核心機制

　　通過大規模的遺傳篩選，孔道春實驗室發現，復制解旋酶CMG復合體的一個亞基Cdc45的突變，能極大降低(600~3000倍)checkpoint通路缺陷細胞對HU的敏感性。

　　“這暗示Cdc45或CMG復合體可能被checkpoint調控。”孔道春說，“通過一系列遺傳及生化分析，我們發現DNA復制叉停頓后，Cds1Chk2同時磷酸化Cdc45亞基上的三個絲氨酸殘基。這三個絲氨酸殘基的磷酸化導致CMG復制解旋酶活性深度降低。CMG復制解旋酶活性的降低使得它不能脫離停頓復制叉，不能與被阻擋的DNA聚合酶分開。這樣，停頓的DNA復制體及復制叉的生化完整性得到了維持，從而阻止了停頓DNA復制叉的垮塌。”

　　“停頓DNA復制叉里的復制解旋酶與DNA聚合酶傾向于分開關聯到兩件事情，一是DNA復制體或DNA復制叉的基本生化特性；二是正常細胞生長過程中導致復制叉停頓的基本原因。” 該論文共同第一作者劉陽告訴《中國科學報》，“DNA二級結構導致的復制叉停頓是一個經常發生的生物事件。在前導鏈或后隨鏈的DNA模板上，如果有堿基損傷（每個人細胞每天有約105級別的這類損傷）或化學修飾，也會阻擋DNA聚合酶并導致復制叉停頓。當DNA聚合酶被阻擋后，CMG解旋酶還要往前移動，這樣就會導致CMG解旋酶與DNA聚合酶物理上的分開，導致復制叉垮塌。”

　　經過不懈努力，checkpoint調控維持停頓DNA復制叉穩定的核心機制最終得以闡明。即,停頓復制叉不穩定、傾向于垮塌的根本原因是當DNA聚合酶被阻擋后，復制解旋酶與DNA聚合酶傾向于分開。同時checkpoint調控維持停頓復制叉穩定的核心機制是:降低復制解旋酶的活性，阻止復制解旋酶脫離復制叉或DNA聚合酶，維持兩者之間在物理及生化功能上的緊密偶聯，從而維持停頓復制叉穩定，并保持它的生物學功能。

　　“找到問題，找出問題的原因，往往離解決問題就不遠了，希望這些研究能讓人們離戰勝癌癥等重大疾病更近一些。”孔道春說。