跨损伤合成如何修复 DNA 损伤？新研究揭示关键机制

为探究跨损伤合成（TLS）聚合酶在 DNA 复制应激时的作用，美国宾夕法尼亚州立大学医学院研究人员开展相关研究，发现 TLS 主要发生在 PrimPol 重启的复制叉后，对维持基因组稳定性至关重要。

　　在微观的细胞世界里，DNA 就像一本记录生命遗传信息的珍贵 “宝典”，指导着细胞的各种活动。然而，生活中存在着许多 “捣蛋鬼”，如烟草烟雾中的化学物质、化疗药物等，它们会在 DNA 这本 “宝典” 上留下瑕疵 ——DNA 加合物（DNA adducts）。这些加合物不仅会干扰 DNA 的正常复制，还与癌症的发生和治疗密切相关。例如，苯并 [a] 芘二醇环氧化物（BPDE）DNA 加合物与肺癌的发生有关，顺铂 - DNA 加合物则是顺铂化疗的主要作用机制，但同时也会给细胞带来压力。

面对这些损伤，细胞有一套自己的 “修复工具”，其中跨损伤合成（TLS）聚合酶起着关键作用。它能够帮助细胞绕过 DNA 损伤，完成 DNA 合成，就像是细胞在面对 “道路障碍” 时找到的一条 “绕行小路”。然而，这条 “小路” 具体是如何运作的，一直存在争议。比如，TLS 聚合酶到底是在复制叉停滞时立即 “上岗” 重启复制，还是在复制后进行 “善后工作”，科学家们尚未达成共识。而且，对于不同的 DNA 加合物，TLS 聚合酶的作用特异性也不明确。这些问题就像一团迷雾，笼罩着科研人员对细胞修复机制的探索。

为了拨开这团迷雾，美国宾夕法尼亚州立大学医学院（The Pennsylvania State University College of Medicine）的 Ashna Dhoonmoon、Julia R. Ambrose 等研究人员开展了深入研究。他们的研究成果为我们理解细胞如何应对 DNA 损伤提供了新的视角，对于癌症的预防和治疗也具有重要意义。相关研究发表于Cell Reports期刊。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们采用基于邻近连接的成像技术（proximity ligation-based imaging methods），可以精准地观察到内源性 TLS 聚合酶在 DNA 加合物形成时与新生 DNA 的相互作用；通过 S1 核酸酶 DNA 纤维梳理分析（S1 nuclease DNA fiber combing assay），能够测量单链 DNA（ssDNA）间隙的积累情况；利用中性彗星试验（neutral comet assay），检测双链 DNA 断裂（DSBs）的形成。这些技术就像是科研人员手中的 “魔法放大镜”，让他们能够深入细胞内部，窥探 DNA 损伤修复的奥秘。

下面来看看具体的研究结果：

1. TLS 聚合酶的特异性招募：研究人员利用邻近连接分析（PLA）和基于 PLA 的 SIRF 分析，发现 Polκ 主要被招募到 BPDE 加合物处，而 Polη 主要被招募到顺铂加合物处。这表明 TLS 聚合酶对不同的 DNA 加合物具有特异性的招募作用，就像不同的 “修理工” 擅长处理不同类型的 “故障”1。
2. PCNA 泛素化和 TLS 聚合酶招募依赖于 PrimPol：通过 SIRF 试验，研究人员发现 PrimPol 在 BPDE 或顺铂处理时会被招募到新生 DNA 上。而且，PrimPol 的缺失会显著抑制 Polκ 和 Polη 的招募，以及 PCNA 的泛素化。这说明 PCNA 的泛素化和 TLS 聚合酶的招募主要发生在 PrimPol 重启复制叉之后23。
3. TLS 聚合酶以特异性方式填充 ssDNA 间隙：利用 S1 核酸酶 DNA 纤维梳理分析，研究人员发现 Polκ 缺失会导致 BPDE 诱导的 ssDNA 间隙积累增加，而 Polη 缺失会导致顺铂诱导的 ssDNA 间隙积累增加。这表明 TLS 聚合酶对于填充加合物诱导的 ssDNA 间隙至关重要，且具有加合物特异性45。
4. ssDNA 间隙的核酸酶处理导致细胞毒性：通过中性彗星试验和细胞活力分析，研究人员发现 TLS 聚合酶的缺失会导致 DSB 形成增加，细胞对 DNA 损伤剂的敏感性增强。而且，这种 DSB 的形成依赖于 PrimPol、EXO1 和 MRE11。这意味着在 TLS 聚合酶缺失的情况下，ssDNA 间隙会被核酸酶加工成 DSB，从而影响基因组的稳定性676。

综合上述研究，研究人员得出结论：TLS 聚合酶主要作用于 PrimPol 介导的复制叉重启后形成的 ssDNA 间隙，以加合物特异性的方式绕过加合物并填充间隙。在缺乏特定 TLS 聚合酶时，间隙会被核酸酶扩大并转化为 DSB，这种核酸酶转化是 DNA 损伤剂细胞毒性的基础。

这项研究意义重大。它明确了 TLS 聚合酶在 DNA 损伤修复中的具体作用机制，解决了 TLS 是在复制叉停滞时重启复制还是在复制后填充间隙的争议，为理解基因组稳定性的维持提供了重要依据。从癌症研究的角度来看，这一成果有助于我们深入了解癌症的发生机制，为开发新的癌症预防和治疗策略提供了理论支持。例如，通过调节 TLS 聚合酶的活性，或许可以增强癌细胞对化疗药物的敏感性，提高治疗效果。同时，研究也存在一定局限性，如部分 SIRF 结果差异较小，可能受到实验背景的影响；EXO1 在间隙形成和扩大中的作用还需进一步明确；REV1 在间隙抑制中的具体作用机制也有待深入研究。但这些局限性也为后续研究指明了方向，相信随着研究的不断深入，我们对细胞 DNA 损伤修复机制的认识会更加全面和深入。