端粒稳定性研究发现DNA修复的新变化，可能为抗癌研究提供信息

一项由匹兹堡大学（Pitt）和UPMC Hillman癌症中心的研究人员领导的新研究显示，一种名为PARP1的酶参与了端粒的修复过程，端粒是保护染色体末端的DNA片段，而干扰这一过程可能导致端粒缩短和基因组不稳定，从而引发癌症。

PARP1被认为是基因组监控的一部分。当它感知到DNA中的断裂或损伤时，它会向特定蛋白质添加一种叫做ADP核糖的分子，这些蛋白质作为信标，招募其他修复断裂的蛋白质。这一新发现首次证明PARP1也作用于端粒DNA，为了解和改进抑制PARP1的癌症疗法打开了新的途径。

匹兹堡大学分子药理学副教授、UPMC Hillman研究员罗德里克·奥沙利文博士表示：“没有人认为DNA中的ADP核糖化是可能的，但最近的发现挑战了这一信条。”“PARP1是癌症研究中最重要的生物医学靶标之一，但人们认为针对这种酶的药物只作用于蛋白质。现在我们知道PARP1还修饰DNA，这改变了游戏规则，因为我们潜在地可以针对PARP1生物学的这一方面来改进癌症治疗。”

奥沙利文是该团队在《自然结构与分子生物学》上发表的题为“失调的DNA ADP核糖化影响端粒复制”的报道的高级作者。

在正常细胞中，基因组损伤在DNA复制过程中自然发生，作为细胞周期的一部分，而PARP1在修复这些错误中发挥重要作用。“ADP核糖化（ADPr）是一种由称为PARP的ADP核糖转移酶（ART）酶催化的大分子修饰，它在细胞生理学中发挥着至关重要的作用，但最重要的是通过DNA修复来维护基因组稳定性，”作者们解释道。

健康的细胞也有其他DNA修复途径可以依靠，但缺乏BRCA蛋白质的BRCA缺陷性癌症——其中包括许多乳腺和卵巢肿瘤——严重依赖于PARP1，因为它们缺乏BRCA蛋白质，这些蛋白质控制着最有效的DNA修复形式，即同源复制。

△罗德里克·奥沙利文博士，匹兹堡大学分子药理学副教授，UPMC希尔曼癌症中心研究员

“当癌细胞无法产生BRCA蛋白质时，它们会依赖于PARP1参与的修复途径，”奥沙利文说。“因此，当你抑制PARP1——这是几种已批准的癌症药物的机制——癌细胞没有可用的修复途径，它们就会死亡。”

尽管科学家在大约60年前发现了PARP1在蛋白质的ADP核糖化中的作用，奥沙利文及其合作者、牛津大学Sir William Dunn病理学学院教授、世界知名PARP1专家伊凡·阿海尔博士，有一种预感，即还有更多关于这种酶及其在细胞中作用的东西有待了解。“尽管ADPr长期以来被认为是蛋白质的后转录修饰，但最近关于核酸，包括DNA的ADP核糖化的证据挑战了这种修饰的既定观点，”调查人员指出。

奥沙利文及其团队首先比较了正常人类细胞和PARP1缺陷细胞。使用结合到ADP核糖和端粒特异性探针的抗体，他们发现ADP核糖附着到正常细胞的端粒DNA上，但不会附着到PARP1缺陷的细胞上，表明这一酶负责DNA的ADP核糖化。

接下来，他们将正常细胞与另一种酶TARG1缺陷细胞进行比较，后者可以去除ADP核糖。他们发现，在没有TARG1的情况下，ADP核糖在端粒处积累，导致端粒复制受到破坏和端粒过早缩短。

为了证明这些端粒缺陷是由于端粒DNA的修饰引起的，奥沙利文及其团队将与PARP1功能类似的细菌酶置入人类细胞中。

奥沙利文说：“我们使用了一个引导系统来指导酶只在端粒上添加ADP核糖，而不在基因组的其他地方。我们发现，如果我们将端粒负载ADP核糖，它们的完整性将受到严重损害，几天内就会导致细胞死亡。”作者进一步总结道：“我们发现，端粒DNA重复序列受PARP1介导的ADP核糖化的影响，而这种影响被ADPr水解酶TARG1逆转…必须破坏TARG1才能检测到DNA-ADPr反映，就像蛋白质多ADP核糖化一样，端粒DNA-ADPr也是高度动态的，并受到TARG1的严格控制。”

奥沙利文假设ADP核糖通过破坏一种称为shelterin的保护结构来影响端粒完整性，后者保护着端粒，但需要进行更多研究来确认这一点。团队总结道：“我们的研究揭示了端粒DNA-ADPr在滞后链端粒复制中功能上和复杂地与之相关，并由于TARG1缺陷导致这种修饰的去除失败，从而影响了端粒复制。”

奥沙利文补充说：“针对PARP1的治疗已经是癌症治疗的一个巨大成功案例，但一些患者对PARP1抑制剂产生了抗药性。我对这项研究感到兴奋，因为我们发现了关于PARP1生物学的新内容，这引发了一系列新问题，有助于我们开发新的方法来针对PARP1或调整我们已有的治疗方法。我们正处在一项令人兴奋的新探索的开始阶段，还有很多需要探索的地方。”

参考文献：http://dx.doi.org/10.1038/s41594-024-01279-6

编辑：王洪

排版：李丽