撰文 | 十一月
細胞中存在多種多樣的突變過程，因此細胞中具有多種策略來確保的基因組完整性，比如高保真的DNA複製和DNA修復過程來對抗外源性和內源性的DNA損傷【1,2】。轉錄過程中靶向DNA修復的區域表達基因，在DNA損傷後降低其突變率。雖然存在這種靶向修復機制，但是在微生物中轉錄過程本身會誘導突變，這一現象被稱為轉錄相關突變（Transcription-associated mutagenesis，TAM）【3，4】。在酵母中，拓撲異構酶Top1是是TAM的主要來源，並導致串聯重複序列上有一個獨特的2-5 bp轉錄依賴的缺失。一般來說，拓撲異構酶被認為透過減輕基因組三維結構壓力來保護基因組的穩定性，是基因組維穩的關鍵。因此，轉錄相關突變以及拓撲異構酶活性之間的關係仍然是未知的。
2022年2月9日，英國愛丁堡大學Andrew P. Jackson研究組、Martin S. Taylor研究組以及Martin A. M. Reijns（第一作者）合作在Nature上發表文章Signatures of TOP1 transcription-associated mutagenesis in cancer and germline，發現拓撲異構酶介導的轉錄相關突變，並且該突變與癌症以及生殖細胞系中均有發生。
根據癌症體細胞突變分類，2-5bp的缺失的被稱為ID4，通常會在短重複序列中丟失單個重複單元。除了小於五個重複的短串聯重複缺失，ID4還包括微同源性缺失特別是2 bp的單核苷酸缺失。但這些缺失都與已知的複製滑移以及非同源或者微同源末端連線等突變機制不同，作者們發現這些缺失與酵母中拓撲異構酶Top1誘導的轉錄相關突變有著一定的相似性（圖1）。因此，作者們對酵母中已發表的全基因組突變累積實驗進行重新分析，用到了一個對Top1-TAM特別敏感的RNase H2/RER缺乏品系，該品系基因組內大量積累核糖核苷酸。
圖1 癌症體細胞ID4突變特徵與酵母中拓撲異構酶誘導轉錄相關突變具有相似性
為了評估是否是由於轉錄誘導突變引發人類細胞細胞中indel的形成，作者們開發了一種報告基因，可以以足夠的敏感性以及特異性檢測哺乳動物中TOP1活性引起的突變事件。該報告基因系統類似於Traffic Light報告基因分析啟發的方法【5】，在單個轉錄單元中使用兩種選擇方式，在沒有突變的情況下，潮黴素抵抗基因HygroR表達；而在基因組中有2bp的刪除時候潮黴素抵抗基因HygroR不能表達，NeoR表達，從而可以利用雙重選擇性對基因組indel進行檢測（圖2）。作者們將該報告基因插入酵母基因組中，從而評估RER和/或Top1缺失情況下菌株的突變率。作者們發現與野生型相比RNase H2/RER缺失品系突變率顯著提高，但是當同時引入Top1缺失後突變頻率升高的現象會被廢除。因此可以得出結論，酵母基因組中的確存在Top1依賴的轉錄相關突變。
圖2 “交通燈”報告基因工作模型
那麼拓撲異構酶依賴的轉錄相關突變現象在人類細胞中是否保守呢？為此，作者們在人類細胞中使用了相似“交通燈”報告系統，只是NeoR被PuroR基因取代，報告基因表達來自哺乳動物普遍存在的CAG啟動子以及允許在哺乳動物細胞中快速選擇的抗生素。作者們發現TOP1誘導體細胞突變在不同的組織和細胞環境中都是保守的，並表明這個過程可以在癌症環境中檢測到。
進一步的，作者們希望進一步拓撲異構酶誘導轉錄相關突變的特徵進行刻畫。作者們的目光集中在2bp的缺失上，這一刪除事件發生頻率更高。透過缺失周圍序列特徵分析，作者們發現缺失中至少會刪除掉一個胸腺嘧啶，這是因為拓撲異構酶TOP1傾向於在磷酸二酯鍵上直接將上游的胸腺嘧啶切掉（圖3）。最終作者們確定所識別的序列是TNT motif，這一基序在全基因組上並不算常見，但是在短串聯重複缺失以及微同源性缺失中均存在。
圖3 拓撲異構酶TOP1誘導轉錄相關突變發生
因為在人類癌症中多個基因位點也存在刪除，所以作者們相對癌症中拓撲異構酶TOP1誘導的突變特徵進行檢測。作者們發現在慢性淋巴細胞白血病中，拓撲異構酶TOP1誘導的轉錄相關突變的確存在，而且會在RNase H2缺陷的腫瘤中富集，而且隨著TOP1活性的增加，2-5bp的缺失頻率明顯增加。這說明TOP1活性和轉錄水平也與癌症細胞中缺失突變頻率相關。
TOP1介導的突變與其他癌症的相關性，證實了ID4-TOP1突變特徵與轉錄相關，並支援了人類轉錄相關突變的發生。另外，TOP1在生殖系中普遍表達，作者們推斷它可能導致生殖系和體細胞突變。透過對父-母-子女三人全基因組測序資料庫進行分析，發現其中的基因刪除缺失大多數與ID4-TOP1特徵一致。對2 bp刪除的分析表明，大多數缺失發生在短串聯重複缺失以及微同源性缺失區域。因此，ID4-TOP1突變特徵也出現在人類生殖細胞中，這意味著TOP1誘導的重組突變是哺乳動物細胞中一個重要的突變過程。
總的來說，該工作發現一向被認為是維持基因組三維結構穩定性的拓撲異構酶TOP1會在誘發人類體細胞以及生殖細胞中ID4-TOP1型別的缺失突變，並且該過程是轉錄相關的突變過程。這一發現有助於對癌症以及生殖細胞中的突變的來源進行進一步的研究。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04403-y
製版人：十一
參考文獻
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