浙大刘婷团队揭示BRCA1/2缺陷细胞通过复制叉稳定性重建导致PARP抑制剂耐药的新机制

PARP抑制剂利用合成致死（Synthetic Lethality）效应杀死携带BRCA1/2（Breast cancer susceptibility gene）缺陷的肿瘤细胞，在临床上具有重要意义。

然而，一部分肿瘤细胞可以通过恢复同源重组修复，或重建复制叉稳定性等机制，对PARP抑制剂产生耐药。由于学术界对复制叉稳定性维持机制的研究尚浅，因此对BRCA1/2缺陷肿瘤细胞如何通过重建复制叉稳定性获得PARP抑制剂耐药性的分子机制也知之甚少。

2024年4月22日，浙江大学基础医学院刘婷课题组（研究助理田甜为论文第一作者）在 Nature Chemical Biology 期刊发表了题为：UFL1 triggers replication fork degradation by MRE11 in BRCA1/2-deficient cells 的研究论文。

该研究发现，在复制压力下，E3连接酶UFL1催化PTIP蛋白发生UFMylation修饰，促进BRCA1/2缺陷细胞中新生DNA链的降解。这一分子机制表明，BRCA1/2缺陷细胞可以通过失活UFMylation通路来重建复制叉稳定性，从而对PARP抑制剂产生耐药。这也是国际上首次报道UFMylation参与复制叉稳定性维持的功能与分子机制。

复制压力发生时，解旋酶与聚合酶发生解偶联或受到核酸酶修剪，导致停滞的复制叉暴露出单链DNA(ssDNA)，并与单链结合蛋白RPA复合体结合；随后，重组酶RAD51置换RPA，形成ssDNA-RAD51复合物。接着，在转位酶（Translocase）如SMARCAL1、ZRANB3、HLTF和PICH，以及DNA拓扑异构酶TOP2A和SUMO E3连接酶ZATT等的协作催化下，新生子链DNA经过两步翻转并退火。此时，复制叉形成四叉的霍利迪交叉（Holliday Junction）结构，从而暂时稳定了停滞复制叉。该过程中，RAD51促进复制叉翻转的过程，与解旋酶BLM所推动的复制叉重启相拮抗。

刘婷课题组于2024年2月在 Nature Communications 发表的研究论文报道了TFIP11蛋白结合到停滞复制叉上，通过竞争性抑制BLM与复制叉的结合，促使RAD51与复制叉结合，并促进复制叉翻转的分子生物学机制。此外，为了维持复制的稳定性，停滞复制叉必须防止核酸内切酶SLX4复合物被过度招募其上，切割复制叉并导致复制叉崩塌。他们还于2024年4月在 The EMBO Journal 期刊发表论文，报道了ssDNA-RPA复合物所招募的ATR激酶如何阻止SLX4核酸酶复合体的过度募集，从而避免复制叉崩塌的分子机制。

BRCA1/2蛋白在复制叉稳定性维持中也发挥关键作用。当翻转发生时，重组酶RAD51与翻转链的结合需要被BRCA1/2稳定，以保护新生DNA链免受MRE11等核酸酶的降解。在BRCA1/2缺陷的肿瘤细胞中，由于复制叉无法维持其稳定性，这些细胞对PARP抑制剂表现出高度敏感，导致合成致死。

UFMylation是一种类泛素化修饰，其修饰遵循与泛素化修饰相似的E1-E2-E3级联反应过程，将类泛素蛋白UFM1（Ubiquitin-fold modifier 1）共价连接到底物蛋白的赖氨酸残基上，其中UFL1（UFMylation E3-like ligase 1）是目前唯一已知的E3连接酶。自2004年发现UFMylation以来，尽管这一翻译后修饰已被证明在调节胚胎发育、内质网稳态和基因组完整性等方面具有重要意义，但迄今为止，已发现的UFMylation底物十分有限，此前尚未有过UFMylation参与复制叉稳定性调控的报道。

刘婷课题组的这项研究中发现，在BRCA1/2缺陷的细胞中，当UFMylation的E3连接酶UFL1被敲减时，部分恢复了由PARP抑制剂所引起的基因组不稳定性，并证明该表型的出现并非由于同源重组修复被重建，而是由于在复制压力下，新生DNA链不再受到降解。进一步的研究表明，在BRCA1/2缺陷的细胞内，UFL1催化核酸酶MRE11的关键招募蛋白PTIP发生第148位赖氨酸（K148）的UFMylation修饰。而PTIP蛋白的UFMylation修饰则进一步促进了PTIP- MLL3/4甲基转移酶复合体的组装，进而使得停滞复制叉处组蛋白H3K4的甲基化水平显著增加。核酸酶MRE11随后响应该甲基化信号，被招募到停滞复制叉上，降解新生DNA。

综上所述，该研究首次报道了UFMylation参与调节复制叉稳定性的功能与机制；系统阐明了UFMylation促进BRCA1/2缺陷细胞中新生DNA链在复制压力下发生降解的分子生物学过程；并深入揭示了当UFL1缺失时，核酸酶MRE11无法降解新生DNA链，从而重建复制叉稳定性，使细胞对PARP抑制剂产生耐药性的分子机制。据悉，深圳大学许兴智教授团队在 PNAS 发表论文也将报道UFL1通过催化PARP1的UFMylation，从而调控复制叉稳定性维持。

刘婷课题组致力于研究DNA损伤应答与基因组不稳定性的分子机制研究，1）应用细胞分子生物学、生物化学、生物信息学、结构生物学等多种实验手段，阐明细胞应答DNA损伤、维持基因组稳定性的分子机制；2）应用基础研究与疾病模型相结合的方式深入研究与DNA损伤应答异常相关疾病（如肿瘤等）发生的分子机制；3）从DNA损伤应答系统入手探寻对肿瘤等相关疾病进行治疗的最佳靶向方式。

研究成果发表于Science、Nature Chemical Biology、Nature Communications、PNAS、EMBO J、Cell Reports、EMBO Rep.等知名学术刊物，欢迎具有细胞分子生物学等相关背景的学生、博士后、技术员等加盟。课题组网站https://person.zju.edu.cn/tliu

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01611-7

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