Cell子刊：哈佛医学院邹力团队揭示端粒延长替代通路的分子机制

2021

01/18

生物世界

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肿瘤的无限增殖依赖端粒维持机制的激活，大部分肿瘤通过激活端粒酶来实现端粒的维持，而仍有一部分肿瘤并没有端粒酶的活性，而是通过同源重组的方式来实现端粒的延伸，我们称为 端粒延长替代通路 （Alternative Lengthening of Telomeres, ALT）。端粒延长替代通路作为癌细胞中端粒维持的机制，有望成为肿瘤治疗的靶点，但是目前对于端粒延长替代通路的机制理解依然很不透彻。

ALT+肿瘤中PML小体会和端粒共定位形成结构特异的ALT相关PML小体 （APB) 。APB上可以同时聚集多个端粒，并富集DNA损伤修复蛋白，前期的发现证明APB小体是ALT+端粒DNA延伸的枢纽结构，对于ALT的发生至关重要，但是APB如何介导ALT通路下游过程发生的机制依然不明确。

与ALT-肿瘤相比，ALT+肿瘤的端粒复制压力更大，端粒的复制压力和DNA损伤被认为是ALT通路的激活信号，可以促进APB小体的形成，从而进一步引发 断裂诱导复制 （break-induced replication，BIR）完成端粒的延伸。与正常的DNA复制过程不同，BIR通过全保留复制的方式来进行DNA的合成。

目前BIR的研究主要集中在酵母中，而在哺乳动物中对于BIR机制的研究还很少，因此在ALT+端粒发生的BIR过程如何进行，以及它如何影响ALT信号的发生并不清楚。

2021年1月16日，美国麻省总医院癌症中心/哈佛医学院邹力实验室在 Cell 子刊 Molecular Cell 杂志发表了题为： Alternative Lengthening of Telomeres is a Self-Perpetuating Process in ALT-Associated PML Bodies 的研究论文。

该研究发现 端粒延长替代通路 （ALT） 存在一个 自我强化的信号环路 ：在ALT相关PML小体 （APB） 发生的断裂诱导复制 （BIR） 自身会产生复制压力，并通过SUMOylation修饰介导的正反馈环路，促进DNA损伤修复蛋白的富集和APB的形成，从而进一步增强ALT通路的信号。

为了研究APB在ALT中的作用，作者通过将PML小体可诱导地锚定到端粒上，促使全新的APB的形成。作者发现该系统在ALT+细胞中可以高效地激活ALT通路相关的过程（包括APB中端粒的聚集，DNA修复蛋白的富集和端粒的DNA合成），而且负责介导PML相分离属性的SUMO-SIM相互作用对于上述过程的发生非常重要。

之前的报道发现BLM缺失会破坏APB小体的形成，直接阻断ALT的发生，因此无法确定BLM是否在ALT的下游DNA合成中起作用。作者发现可诱导APB系统可以在BLM缺失的条件下依然诱导APB的形成，因此可以用来研究BLM在ALT下游DNA合成中的作用。作者发现BLM的缺失可以阻断全新APB介导的DNA合成，同时有趣的是BLM的缺失会引发细胞内大量积累端粒桥 （telomere bridges）。

进一步的研究发现BLM可能通过解旋酶活性处理BIR过程中的同源重组中间体，来促进BIR的发生，而BLM的缺失会引发中间产物的积累。更有趣的是作者发现与BLM相关但是具有不同活性的解旋酶FANCJ也在ALT 的端粒DNA合成中起作用，未来进一步的体外生化研究有望阐明BLM 和FANCJ如何在BIR过程中起作用。

全新APB的形成可以在对应的端粒处诱导大量的端粒DNA合成，有意思的是它同时可以阻滞细胞周期的进行。进一步检测与复制压力有关的标志物，作者发现全新APB介导的BIR过程可以引发端粒的复制压力信号，并激活复制压力检验点信号的激活。

接下来作者通过检测细胞内正常发生的ALT过程，发现ALT过程中BIR的激活可以进一步促进DNA损伤修复蛋白在APB的定位和端粒保护蛋白TRF2 的SUMOylation，进而促进APB的形成和ALT的发生。

作者进一步鉴定发现SUMO E3 连接酶PIAS4可以通过促进TRF2 的SUMOylation来介导BIR过程中正反馈信号，并促进ALT信号的自我增强。

基于上述结果作者提出了全新的ALT机制模型：（1）端粒的复制压力或者DNA损伤信号激发最初的ALT信号，（2）PML的SUMO-SIM相互作用介导的相分离属性促进APB中端粒聚集，（3）APB中BIR的DNA合成过程自身会产生复制压力信号，并通过正反馈信号环路驱动ALT信号通路的自我增强。

该研究中开发的可诱导APB系统可以高效地激活ALT通路，对未来 ALT通路的机制研究提供了强有力的工段。该研究发现了解旋酶BLM可能通过处理同源重组的中间体来参与ALT端粒的BIR过程，最重要的是该研究提出了ALT通路中存在自我增强信号的全新概念。这些结果拓展了人们对于ALT和BIR过程的理解，对于开发靶向ALT通路的癌症治疗方案具有重大的指导意义。

麻省总医院癌症中心/哈佛医学院邹力教授为该论文通讯作者，博士后张家民为第一作者， Marie-Michelle Genois博士，欧阳剑(Jian Ouyang)博士，Li Lan教授参与了工作的完成。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.12.030