文献研读|秦婉婷（2018级硕士）：Nature|环挤压作为DNA损伤修复中心形成的机制

2021年3月3日

 

Loop extrusion as a mechanism for formation of DNA damage repair foci

简介

本文主要由法国Molecular, Cellular and Developmental Biology Unit (MCD), Centre de Biologie Intégrative (CBI), UPS, CNRS的Gaëlle Legube团队研究发表，该团队长期研究DNA损伤应答。作者利用染色质构象研究技术，深入解析DNA双链断裂产生后，DNA损伤应答中心的形成过程——限制在拓扑关联结构域内，受cohesin介导的环挤压机制调控。该研究揭示了染色体构象对维持基因组完整的重要性。

 

DNA双链断裂（DSB）修复对保护基因组完整性必不可少。DSB引起DNA损伤应答中心（DDR foci）形成——ATM激酶触发建立百万碱基大小的染色质结构域，其上特别修饰有磷酸化的组蛋白H2AX（γH2AX），且泛素和DDR因子53BP1、MDC1在此处积累，而组蛋白H1则枯竭，γH2AX是DDR foci形成的种子。然而仍不清楚这些DDR foci如何快速组装并在细胞核内建立一种易于修复的环境。一些已有证据提示，染色体构造可能控制γH2AX的散布，DDR foci组件在附近染色质上的散布遵循一种高度固定的模式（Fig. 1a），作者假设该模式由先于DSB存在的高级染色质结构控制。

作者通过4C-seq与Hi-C实验，在AsiSI与CRISPR-Cas9引导的体系中，分别证实了先于损伤存在的染色质结构域（指拓扑关联结构域（TAD））限制DDR foci的散布。

Fig. 1 | TADs are functional units that govern the establishment of DDR chromatin domains.

图1：TAD是控制DDR染色质结构域建立的功能单元。

一种环形蛋白质复合体cohesin通过主动的依赖ATP的环挤压机制形成TAD。无论被采用的DSB修复途径是HR还是NHEJ，DSB两侧都会积累cohesin，引起相异的单侧环挤压。（注：关于环挤压的相关知识见文后“相关知识简述”及其提及文献）

Fig. 2 | DSB-anchored cohesin mediates loop extrusion.

图2：DSB锚定的cohesin介导环挤压。

然后，环挤压过程帮助建立H2AX的磷酸化并散布到它抵达强边界元件（即TAD边界）。这种依赖cohesin的机制从酵母到人类均保守。

Fig. 3 | DSB-anchored loop extrusion mediates γH2AX spreading.

图3：DSB锚定的环挤压介导γH2AX散布。

TAD中产生DSB后，SCC1（cohesin亚基）占用与环强度普遍增加，SMC1和SMC3（cohesin亚基）被ATM磷酸化并围绕DSB积累于整个TAD中。DSB引起的，ATM介导的cohesin修饰围绕DSB积累，可能调节cohesin特性，如环挤压速度或染色质卸载，这可能转化为cohesin在边界元件上的停留时间增加，并可能有助于将DDR结构域从相邻染色质隔离开。

 

Fig. 4 | DSBs trigger modifications of cohesin biology at a genome-wide scale, accentuated in damaged TADs.

图4：DSB触发cohesin在基因组广的尺度上修饰，积累于受损的TAD。

总之，作者通过数据显示，TAD是许多DSB修复信号事件散布的模板，如H2AX的磷酸化、组蛋白H1的驱逐和53BP1、MDC1和泛素的增加，导致百万碱基尺度的DSB信号。DSB锚定的cohesin介导的环挤压模型介导H2AX的磷酸化（Fig. 4c）。该模型中，cohesin受ATM、NIPBL（cohesin装载者）和MRN复合体的促进，快速地积累于DSB两侧。相异的单侧环挤压发生于DSB，反过来允许本地召集ATM去磷酸化H2AX。鉴于目前测定的cohesin介导的环挤压速度，该机制允许快速组装DDR foci。这都符合目前的一些观察。此外，作者的数据还提示，随着DSB产生，受损的TAD内环强度被重塑，cohesin积累于环锚，cohesin复合体本身被ATM修饰。作者认为ATM介导的cohesin复合体磷酸化会改变cohesin特性，如环挤压速度或从染色质装载卸载的能力。这些改变在起始的依赖环挤压的γH2AX建立之后，由于TAD内染色质动态变化，进一步重塑H2AX磷酸化。

 

总结

本研究揭示，拓扑关联结构域是DNA损伤应答的功能单元，对正确建立γH2AX-53BP1染色质结构域起重要作用，γH2AX-53BP1染色质结构域的建立是通过在DSB两侧的单侧的cohesin介导的环挤压。包含H2AX的核小体主动跳过DSB锚定的cohesin时，被快速磷酸化。染色质修饰通过环挤压建立，染色体构象对维持基因组完整有重要性。

 

相关知识简述

TAD由环挤压形成的机制是由Fudenberg等提出的（Fudenberg et al.2016.Cell Rep.）。该过程中，顺式作用的环挤压因子（如cohesin）逐步地形成更大的环，但因与边界元件（包括CTCF）的互作停在TAD边界，每个TAD来自通过挤压动态形成的多个环。

蛋白质马达能挤压出DNA环的想法至晚可追溯到1980s的研究。染色体结构维持（SMC）复合体如condensin、cohesin被认为是环挤压的必要因子。环挤压被用以解释广泛的基因组结构和功能：有丝分裂时的染色体压缩和分离、减数分裂时的染色体组织、分裂间期的结构域及功能互作。然而直到近来，一系列单分子实验才直接观察到由condensin、cohesin形成的环挤压。对环挤压的研究史详见Banigan & Mirny.2020.Curr. Opin. Cell Biol.。）