绘制人体细胞对DNA损伤反应的遗传图谱

来源：BioArt

遗传信息的保存看似是一个非常基本的细胞过程，但实质上，这其中充满艰巨的挑战，因为在每一天、在每个细胞中，DNA都发生着多种化学和物理学改变，这些改变统称为DNA损伤，DNA损伤可能导致遗传信息丢失、转录阻断、DNA复制停止、染色体分离受损、产生突变或产生染色体重排。这些有害的变化是许多疾病的基础，包括癌症和神经退行性疾病，并也可能是细胞和机体衰老的原因【1】。

DNA损伤修复网络能够帮助抵消DNA损伤所产生的有害结果。基因组质量控制系统的核心也是各种DNA修复途径。尽管科学家已经对基因组维持机制进行了广泛研究，但重要的DNA修复因子仍未被发现【2】。我们对DNA损伤与不直接参与DNA修复调节的细胞过程如何相互作用的了解也很少。

基于CRISPR的遗传筛选的出现，使得现在能够进行人类细胞中基因-基因和基因-药物相互作用的基因组规模分析。因此，可以无偏差地绘制人体细胞对DNA损伤反应的遗传图谱。近日，加拿大西奈山医院Lunenfeld-Tanenbaum研究所Daniel Durocher团队在Cell杂志上发表题为A Genetic Map of the Response to DNA Damage in Human Cells的研究论文，这项研究在用不同基因毒性药物处理的细胞中，进行了CRISPR筛选，全面揭示了细胞对DNA损伤的反应，从而确定了几种参与DNA损伤修复途径中的新分子，并明确了其中的药物作用机制。

为了提供人类细胞DNA损伤反应的无偏见全局性视图，作者在视网膜色素上皮细胞系RPE1-hTERT p53-/- Cas9中对27种遗传毒性药物进行了31次CRISPR/Cas9筛选，来绘制对DNA损伤和遗传毒性剂反应的遗传网络图谱，评估对多种遗传毒性剂的反应（图1）。这里的不足是，作者使用了p53失活的RPE1细胞系，尽管能够帮助分析多基因对毒素的敏感性，但是，无法探究p53与遗传毒性应激反应之间的联系，当然，这受制于CRISPR筛选的技术局限【3】。

图1. DNA损伤反应的CRISPR筛选示意图及热图

作者筛选鉴定出890个基因，这些基因的缺失导致对DNA损伤药物的敏感性或抗药性。除了文中讨论的几个基因外，作者还将在相关的其他感兴趣的基因（TMEM2，ESD，USP37，PHF12和BTAF1-DRAP1）放入Mendeley Dataset中（http:// /10.17632/gfcn2wmrpf.1），供大家查阅参考。

作者的第一个重要发现是pyridostatin，一种结合并稳定G-四链体（G4）序列的化合物，它能够通过在DNA上捕获拓扑异构酶II（TOP2），缓慢导致DNA双链断裂，产生细胞毒性。

作者继续挖掘这个数据集，发现在骨髓衰竭综合征中突变的ERCC6L2基因编码一个典型的非同源末端连接（NHEJ）。推测具有ERCC6L2突变的个体中骨髓衰竭的根本原因可能是无法适当修复DNA双链断裂。

作者挖掘了两个核苷酸切除修复（NER）簇中嵌入的两个基因：ELOF1和STK19。RNA聚合酶II组分ELOF1调节对转录阻断剂的反应。STK19曾被被报道促进UV照射下的转录恢复。ELOF1和STK19调节转录偶联的NER，即TC-NER。

此外，作者还注意到基因TXNDC17，TXNDC17先前与DNA损伤没有关联，靶向TXNDC17的sgRNA使细胞对多种DNA损伤剂敏感，在这里，TXNDC17将氧化还原控制与基因毒素抗性联系了起来。另外，作者还挖掘了CYB5R4，CYB5R4编码氧化还原酶，促进细胞对多种药物的抗性，作者推断CYB5R4通过调节PP2A家族磷酸酶来调节对DNA损伤的反应，增强对TOP1毒性药物的抗性。

图2. 文章小结

对DNA损伤的反应是细胞内稳态、肿瘤抑制、免疫和配子发生的关键。在这项工作中，作者介绍了人类模型细胞系中对DNA损伤反应的遗传结构的表征，发现了新的DNA修复因子，揭示了新的药物作用机制，并找到了药物代谢途径的新证据。这份人体细胞对DNA损伤反应的遗传图谱为研究这一基本细胞系统提供了丰富的资源，并对基因毒性药物在癌症治疗中的开发和应用具有重要意义。