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）

        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。

        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。

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