DNA双链断裂的修复会导致基因组功能出现可遗传的损伤

《SCIENCE》：Repair of DNA double-strand breaks leaves heritable impairment to genome function

DNA双链断裂修复后染色质结构异常持续存在，导致基因表达受损并跨代传递，提出“染色质疲劳”概念，揭示DNA损伤对细胞遗传功能的长远影响。

　　

编辑总结

细胞以三维结构组织其DNA，这种结构有助于控制哪些基因被激活或关闭。Bantele等人研究了在DNA损伤修复后，这种结构是否能够完全恢复。研究人员引入了精确的DNA断裂，并追踪了基因组组织和基因活性的变化。他们发现，即使在DNA修复之后，受影响的区域仍然处于错误折叠状态，并且基因表达降低，这些变化会传递给子细胞。因此，DNA损伤会在基因组功能上留下持久的痕迹，这种现象被称为“染色质疲劳”，对衰老、疾病以及CRISPR等基因编辑技术具有重要意义。——Di Jiang

结构化摘要

引言

真核生物的基因组经历了分层折叠，这种折叠是必要的，以便将DNA包裹在组蛋白支架（统称为染色质）上，从而适应三维（3D）核空间。进化利用了核染色质的3D排列来促进基因组片段（如启动子和增强子）之间的相互作用，这些相互作用影响基因表达，因此在细胞命运决定中起着重要作用，例如发育程序的有序执行、对新环境的适应，或者将细胞身份传递给连续几代的细胞。尽管在这些和其他生理过程中这种3D排列是有益的，但它也使基因组容易受到环境或代谢攻击的影响，这些攻击会改变染色质折叠，从而破坏细胞功能。

研究背景

这种压力攻击的一个显著例子是DNA双链断裂（DSB）。除了破坏DNA完整性外，DSB还会引发大规模的染色质改变，包括从DNA损伤部位数百万碱基对范围内的3D排列变化和基因沉默。虽然DSB引发的染色质反应最初有助于吸引基因组维护机制并生成用于及时高效DNA修复的结构支架，但在DNA序列完整性恢复后的命运尚不清楚。这似乎是理解基因组维护的一个重大空白，提出了重要问题：细胞在DNA修复完成后能否恢复DSB引发的染色质折叠及其相关的基因表达？如果可以，修复后的染色质能否完全恢复到损伤前的状态？如果不能，残留的染色质改变是否会导致可遗传的生理损伤，并传递给后续细胞世代？

结果

为了解答这些问题，我们将Cas9引导至含有拓扑敏感的蛋白质编码基因和调控RNA分子的基因组位点，以探究DNA断裂对染色质拓扑结构和基因活性的长期影响。通过结合大规模细胞群体的定量成像、DNA和RNA荧光原位杂交（FISH）以及Region Capture Micro-C读数，我们发现DSB引发的染色质改变不会恢复到损伤前的状态，而是作为持久的变化存在于遇到并随后修复单个DSB的较大染色质邻域中，导致基因表达受损。我们证明这种损伤会持续几轮细胞分裂，并可能引发具体的病理生理后果——例如，即使最初的DSB发生在基因的邻域内但其编码区域之外，c-MYC基因对上游信号的响应也会减弱。

结论

我们的研究结果表明，DNA断裂会在修复后的基因组位点留下长期痕迹，这些痕迹会破坏较大染色质邻域的3D排列，并在几轮连续的细胞分裂中持续存在，即使原始DNA损伤得到了完全修复，也会导致基因表达的可遗传改变。我们将这种现象称为“染色质疲劳”，并认为它代表了DNA断裂后一种迄今未知的可遗传反应维度，这种反应可能会永久改变遇到DSB的细胞的生理状态——无论是由于环境或代谢压力，还是通过基于核酸酶的基因组编辑技术为各种实验或治疗目的设计的细胞系。

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DNA断裂和修复后的染色质疲劳作为可遗传后果。

暴露于DSB（蓝色）的三维染色质在DNA修复过程中（绿色）会发生构象变化，并在修复成功后保持改变的3D结构及相应的转录改变（棕褐色）。这种结构和功能的遗传可能导致后续细胞系中的染色质疲劳。

摘要

当DNA发生断裂时，基因组位点的三维染色质结构会发生变化，以促进信号传导和修复。尽管细胞具有修复受损DNA的机制，但尚不清楚周围的染色质是否能够恢复到初始状态。我们发现，在包含拓扑相关域（TAD）内的单个DNA双链断裂（DSB）会导致持久的染色质改变，这些改变在DNA修复完成后仍然存在，表现为拓扑重排和局部RNA分子的丢失。这些修复后的染色质新特征会传递给子细胞，并表现为基因表达的可遗传损伤。这些发现揭示了DNA断裂的一个迄今未被认识的维度，我们将其称为“修复后染色质疲劳”，它会导致基因功能在DNA修复后仍然受到可遗传的损害。