分子生物學 基因與基因體學 基因體學 癌症生物學 科學報導

ATAD5新功能——重啟基因複製

         將正確的基因序列遺傳到下個世代大大仰賴 DNA 複製系統的穩定性,而在複製時期無法被正確修復的DNA錯誤很可能會造成疾病的發生,例如癌症等。為了降低 DNA 在複製時產生的錯誤,細胞擁有各種不同的檢測和修復機制來維持 DNA 複製的穩定性。在分子生物學的發展下,科學家理解到 DNA 複製錯誤的種類非常繁多,例如單股 DNA 鹼基配對錯誤,雙股 DNA 複製錯誤等不同層次的問題,相對的細胞有非常完善的檢測方式,也演化出非常複雜且詳細的修復機制來幫助解決這類的問題。從大家熟知的同源重組(Homologous recombination, HR),非同源性末端結合(Non-Homologous end joining, NHEJ),核苷酸切除修復(Nucleotide excision repair, NER) 亦或是鹼基切除修復(Base excision repair, BER)等。除此之外,若DNA複製產生的錯誤太多而無法被正確修復時,細胞則進一步會啟動凋亡路徑  [1]。

         ATAD5 是一個重要的基因穩定蛋白,在許多研究中表示其功能為終止DNA 複製。ATAD5 通常會與 RFC2-5 形成一個異型五聚體結構 RLC(Alternative pentameric replication factor C-like complex),亦稱 ATAD5-RLC。先前的研究發現 ATAD5-RLC 會出現在DNA複製終止時期,將 PCNA(Proliferating cell nucleus antigen)的三聚體結構帶離 DNA 並解開其聚合結構,達到終止複製的目的 ( 圖二) [5]。除此之外,研究也發現 ATAD5-RLC 會透過吸引 USP-1(Ubiquitin-specific protease 1 )/ UAF1(USP Associated Factor 1 deubiquitinating enzyme complex ) 幫助 PCNA 去泛素化(de-ubiquitination)進而調控 DNA 的複製重啟。藉此,作者想驗證這個系統是否也參與在DNA的修復機制當中 [2] [4] [6]。(補充: PCNA 的泛素化是細胞為了因應DNA損傷的重要機制。在PCNA不同胺基酸位點上的泛素化會對DNA損傷啟動不同的反應。例如啟動DNA修復,抑或是略過DNA損傷繼續進行複製,圖一)

圖一:PCNA的泛素化具有不同的意義,有些是容許DNA複製錯誤並繼續複製,有些則可能幫助細胞偵測DNA複製失誤且啟動適當的修復機制幫助細胞DNA修復。PCNA的去泛素化則被認為能夠幫助啟動適合的修復機制並重啟DNA複製。
圖片來源: https://doi.org/10.1016/j.febslet.2011.04.044

        ATAD5 也是一個癌症抑制基因,在 ATAD5 剔除的細胞會發 DNA 複製壓力以及癌化的現象。這是因為 ATAD5 可以在 DNA 出現複製錯誤時,或非必要進行 DNA 複製時抑制並終止複製。除此之外,ATAD 5 基因剔除的細胞也發現複製遲緩的現象,因此本篇的團隊推測 ATAD5 亦參與在 DNA 複製壓力(DNA replication stress)的機制裡並調控細胞 DNA 複製的修復。

圖二:ATAD5 的作用是將PCNA帶離DNA進而終止DNA複製。除此之外,ATAD5也參與調控 PCNA的去泛素化。
圖片來源:IBS_media. (n.d.). PCNA Cycling during DNA replication. EurekAlert! https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/202540.php.

        RAD51 是一個重要的 DNA 穩定蛋白,其主要參與在 DNA 複製的修復上並與 BRCA2,BRCA1 等蛋白作用進行同源重組 。在 ATAD5 剔除的細胞中發現同源重組所產生的 RAD51 foci 數量降低,因此作者懷疑 ATAD5 可能參與在同源重組的 DNA 修復上且與 RAD51 有關。進一步作者證實 ATAD5 的剔除會影響 RAD51聚集在損壞的 DNA 上但不影響RAD51的表現量。經過蛋白實驗後發現 ATAD5 與 RAD51 有直接的交互作用,並且會影響 DNA 修復以及 DNA 複製的結果。除此之外,這樣的交互作用需要 PCNA 卸載以及 USP-1/UAF1 去泛素化的參與。因此作者提出 ATAD5-RLC 在偵測到 DNA 複製壓力後會被帶到 PCNA 聚集的地方將 PCNA 帶離,並同時吸引 RAD51 蛋白以及其下游等 DNA 修復蛋白的介入。之後 ATAD5-RLC 會利用其吸引 USP-1等去泛素化的功能,恢復 PCNA的作用並幫助細胞 DNA複製的重啟。有趣的是如果抑制 USP-1 或者抑制 ATAD5 對於 PCNA 的作用將會影響 DNA 修復,亦代表 ATAD51 的其他功能都參與在 DNA修復上。最後,作者發現 MSU81/SLX4 的核酸內切酶亦可能參與在 ATAD5 所調控的 DNA 修復上 [1]。

        本篇中作者深入探討 ATAD5 對於調控 DNA 複製以及 DNA 修復所扮演重要的角色,也提出 ATAD5 在參與 DNA 複製中並不單單和 PCNA 有直接作用,亦可以和其他修復蛋白如 RAD51 作用幫助細胞修復。然而作者認為 ATAD5 的參與並不一定受到 PCNA 所吸引,亦可能來自其他蛋白的交互作用,這有待該團隊進一步的探索。在 2020 年時,他們也再次發布另一篇 ATAD5 參與在 R-loop (DNA-RNA hybrid loop)的修復當中,進一步證實了 ATAD5 在不同的 DNA 修復上扮演著非常重要的角色 [3]。

         DNA 修復機制的研究對於癌症藥物的開發扮演著非常重要的角色。不同的分子機制以及大量的蛋白、RNA 等參與在這個機制當中不但表示細胞對於維護 DNA 穩定的重視,也代表以 DNA 修復機制為目標的癌症治療的開發仍有非常龐大的潛力。

圖三:ATAD5-RLC在DNA複製壓力及修復上扮演的角色,亦同時清除PCNA並召集RAD51進行DNA修復後恢復DNA複製。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41467-019-13667-4

參考文獻:
1. Park, S. H., Kang, N., Song, E., Wie, M., Lee, E. A., Hwang, S., Lee, D., Ra, J. S., Park, I. B., Park, J., Kang, S., Park, J. H., Hohng, S., Lee, K.-young, & Myung, K. (2019). ATAD5 promotes replication restart by regulating RAD51 and PCNA in response to replication stress. Nature Communications, 10(1). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13667-4
2. Giovannini, S., Weller, M.-C., Hanzlíková, H., Shiota, T., Takeda, S., & Jiricny, J. (2020). ATAD5 deficiency alters DNA damage metabolism and sensitizes cells to PARP inhibition. Nucleic Acids Research, 48(9), 4928–4939. https://doi.org/10.1093/nar/gkaa255
3. Kim, S., Kang, N., Park, S. H., Wells, J., Hwang, T., Ryu, E., Kim, B.-gyu, Hwang, S., Kim, S.-jung, Kang, S., Lee, S., Stirling, P., Myung, K., & Lee, K.-young. (2020). ATAD5 restricts R-loop formation through PCNA unloading and RNA helicase maintenance at the replication fork. Nucleic Acids Research. https://doi.org/10.1093/nar/gkaa501
4. Kang, M.-S., Ryu, E., Lee, S.-W., Park, J., Ha, N. Y., Ra, J. S., Kim, Y. J., Kim, J., Abdel-Rahman, M., Park, S. H., Lee, K.-young, Kim, H., Kang, S., & Myung, K. (2019). Regulation of PCNA cycling on replicating DNA by RFC and RFC-like complexes. Nature Communications, 10(1). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10376-w
5. IBS_media. (n.d.). PCNA Cycling during DNA replication. EurekAlert! https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/202540.php.
6. Ulrich, H. D. (2013). New Insights into Replication Clamp Unloading. Journal of Molecular Biology, 425(23), 4727–4732. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2013.05.003

關鍵字:2021/05/DNA replication 主題月, HR, Replication Stress, DNA repair, ATAD5, PCNA, RAD51
撰文|林偉強
審稿|蕭皓文

About the author

林偉強

林偉強

我是小強 Steve Lim
台灣大學分子醫學研究所 碩一學生
喜歡交流和分享科學的“中二”學生
喜歡寫文章 學習新的事務

Leave a Comment