撰文 | 雪月
DNA鏈間交聯（DNA interstrand crosslinks， ICL）是通過共價鍵連接兩條DNA鏈，具有很高的細胞毒性，它能阻止DNA複製和轉錄。ICL形成劑通常用於腫瘤化療，內源性細胞代謝產物也可以形成ICL。多項研究關注內源性修復ICL的機制，參與ICL內源性修復的蛋白包括結構特異性核酸內切酶，它們負責在ICL附近切開DNA；另一類屬於跨損傷DNA聚合酶【1】。ICL修復還需要負責同源重組的蛋白質參與。ICL修復受損時會引起Fanconi 貧血症（Fanconi anemia FA），發生FA時機體無法更新體內血細胞，並對腫瘤易感【2】。十三種FA基因產物（FA蛋白）對機體修復ICL和抑制染色體不穩定性必不可少。
乙醛是酒精在體內代謝產生的，對DNA有害的代謝產物。乙醛的機體解毒過程受損在亞洲人口中很普遍，並且與酒精相關的腫瘤關係密切。ICL修復可保護細胞免受乙醛誘導的損害。乙醛解毒途徑和FA途徑的聯合失活會誘導突變，提高惡性腫瘤發生概率並會引起血液幹細胞的快速消耗。然而，
乙醛引起的DNA損傷的性質以及如何修復仍未知。2020年3月4日，來自荷蘭Hubrecht研究所和Utrecht醫學中心的Puck Knipscheer課題組在Nature上發表了題為Alcohol-derived DNA crosslinks are repaired by two distinct mechanisms的文章。該文章發現乙醛引起的ICL修復包括兩種複製偶聯的修復途徑，包括已經發現的FA途徑，和一種無須產生DNA鏈切口的修復新途徑。與順鉑誘導的交聯的修復相比，乙醛誘導的交聯的修復導致突變頻率增加和突變譜改變。
為了研究酒精誘導的DNA損傷的修復機制，該課題組首先生成了乙醛交聯的DNA底物。乙醛與鳥嘌呤反應生成交聯前體N2-丙鳥嘌呤（PdG）。在5'-CpG序列中，PdG與鳥嘌呤的N2-胺在相反鏈上反應，形成乙醛鏈間交聯鍵（AA-ICL）。在寡核苷酸雙鏈體內合成了位點特異性AA-ICL，稱為AANAT-ICL。PdG與缺乏N2-胺的脫氧肌苷的對照反應未發生交聯，因此證實了AANAT-ICL的位點特異性。AANAT-ICLs在生理pH和溫度下穩定，在37°C下72 h後逆轉不到10％。為了使用該系統檢測AANAT-ICL的修復，將寡核苷酸連接到質粒（pICL-AANAT）中。作者還生成了含有順鉑鏈間交聯（pICL-Pt）或PdG（pPdG）的質粒，以及未修飾的對照質粒（pCon）。交聯的載體均在非複製爪蟾卵提取物中穩定。
以上述體系作者進行探究。研究表明pICL-AANAT顯示出更快的修復率（50分鐘時11％：1%）。作者分析發現一部分pICL-AANAT以與pICL-Pt相似的方式發生修復。利用FANCD2缺失的爪蟾卵提取物驗證發現二者共同的修復方式是FA修復途徑。缺失了FA修復途徑時，pICL-AANAT依然會發生部分修復。這也表明pICL-AANAT還可以通過第二種更快的機制進行了修復。
令作者感到意外的是AANAT-ICL的第二條更快的修復途徑不涉及產生DNA切口步驟。而是通過在交聯本身內部進行切割來發生修復。這種修復途徑需要在一條或者兩條鏈上加上加合物，並且要求TLS在加和物對應的位置插入核苷酸進行延伸複製。作者分別用TLS聚合酶REV1和Polζ缺失的爪蟾卵提取物以驗證作者的猜想。作者發現AANAT-ICL修復的第二條途徑在底鏈上產生了加合物，並且需要REV1和Polζ進行旁路支持。再進一步的研究表明第二修復途徑在會頂部鏈上再生一個dG，但是會在底部鏈上產生dG加合物。
最後作者檢測了AANAT-ICL修復的保真性。作者提取了爪蟾卵提取物中的質粒，對其進行高通量測序發現乙醛交聯修復具有致突變性。修復後的AANAT-ICL大約10%的蛋白質在交聯位點10%會發生突變。而且突變譜是不同的。pICL-Pt最常見的是G>T。AANAT-ICL修復發生的突變C>G, C>A, G>C和G>T都能觀察到。
綜上，該研究揭示了乙醛誘導的ICL兩種修復機制。區別於順鉑誘導的FA修復途徑，該研究揭示的乙醛誘導的新的修復方式具有明顯的優勢，它避免了DNA鏈斷裂或脫鹼基位點的產生，而這兩者均可增加基因組不穩定。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2059-5
製版人：珂
參考文獻
1. Räschle, M. et al. Mechanism of replication-coupled DNA interstrand crosslink repair. Cell 134, 969–980 (2008).
2. Knipscheer, P. et al. The Fanconi anemia pathway promotes replication-dependent DNA interstrand cross-link repair. Science 326, 1698–1701 (2009).
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