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Nature:重磅!CDK12控制着DNA修复基因的RNA转录本长短

来源:本站原创 2018-12-08 10:10

2018年12月8日/生物谷BIOON/---基因BRCA1和BRCA2发生突变对乳腺癌和卵巢癌构成严重风险,这是因为它们通过干扰同源重组修复(HR)来危害细胞的基因组稳定性,其中同源重组修复是一种准确地修复有害的DNA双链断裂的关键机制。如果没有利用这种机制修复DNA双链断裂的能力,那么细胞就不得不采用更容易出错因而更容易发生癌变的DNA修复方式。

基因BRCA1和BRCA2不是唯一的当发生突变时会导致无法利用同源重组修复DNA双链断裂而促进肿瘤发生的基因。已知22个基因发生的突变会破坏同源重组修复,从而产生具有“BRCAness”表型的肿瘤。已知在这22个BRCAness基因中,除了其中的一个基因之外的所有其他的BRCAness基因都直接参与同源重组修复通路。

这个例外的基因是CDK12,它被认为是促进一系列不同的过程,涉及RNA转录本如何被延长、剪接和切割成它们的成熟形式。尽管人们对这个RNA调节基因与DNA修复之间存在的关联性仍然知之甚少,但是鉴定出CDK12是一个BRCAness基因引起了极大的临床兴趣。
一个酶包围着DNA双螺旋来修复发生断裂的DNA链,图片来自Tom Ellenberger/Washington University School of Medicine in St. Louis, Dave Gohara/Saint Louis University School of Medicine。

在一项新的研究中,美国麻省理工学院的Phillip Sharp、Sara Dubbury和Paul Boutz描述了他们如何发现一种先前未知的机制,通过该机制,CDK12能够产生全长RNA转录物,而且这种机制对于维持其他的BRCAness基因的功能性表达尤其重要。相关研究结果近期发表在Nature期刊上,论文标题为“CDK12 regulates DNA repair genes by suppressing intronic polyadenylation”。

当这些研究人员敲除CDK12时,小鼠胚胎干细胞显示出许多DNA损伤累积的迹象,这些DNA损伤会阻止DNA复制的进行,这是BRCAness表型的典型特征。为了确定CDK12在调节基因表达中可能发挥的作用,他们通过RNA测序来确定哪些基因的总体表达会增加或减少。当着重关注转录的RNA类型时,他们发现当CDK12缺失时,许多基因产生异常短的转录本。

并非基因中的每个DNA片段都会进入最终的RNA转录本中。一个基因的初始RNA转录本通常包含称为内含子的DNA片段,这些内含子会从RNA转录本中切除,从而将多个外显子拼接在一起而形成最终的成熟转录本,即mRNA。或者,内含子多腺苷酸化(intronic polyadenylation, IPA)位点经激活后切割位于这个位点之后的RNA序列,从而阻止内含子移除并产生过早缩短的RNA转录本。这些过程允许同一个基因产生不同的mRNA形式,因而经翻译后产生不同的蛋白序列。

令人吃惊的是,CDK12基因被敲除的细胞在全基因组中产生显著更多的IPA截短转录本,而且全长的RNA转录本的水平降低了。这些缩短的mRNA在稳定性、翻译成蛋白的能力以及它们的蛋白功能方面差异很大。因此,即便一个基因发生活跃转录,IPA激活也能够从根本上改变或减少它经翻译后产生的功能性蛋白。

虽然这一观察结果开始阐明了CDK12在调节mRNA加工中的作用,但仍然不清楚的是为什么CDK12缺失如此不成比例地影响同源重组修复途径。在研究这个问题时,Dubbury和Boutz发现在CDK12缺失后IPA活性增加的那些基因中,BRCAness基因作为一个整体被过度代表了。虽然CDK12在全基因组中抑制IPA活性,但是在剩下的21个BRCAness基因中,13个基因被发现特别容易受到CDK12缺失的影响,这部分上是因为它们具有多个高敏感性的IPA位点,因而具有降低全长RNA转录本总量的加和效应。此外,鉴于多个CDK12敏感性的BRCAness基因在相同的同源重组修复途径中起作用,这些研究人员认为CDK12缺失会加大破坏对双链DNA断裂的同源重组修复。

CDK12突变在前列腺癌和卵巢癌患者中反复出现,这使得它成为癌症的一种有吸引力的诊断和治疗靶标。然而,对CDK12的了解还不足以区分真正的功能丧失突变和所谓的不影响功能的“乘客突变(passenger mutation)”。

Dubbury和Boutz能够通过使用来自携带着CDK12突变的前列腺肿瘤患者和卵巢肿瘤患者的RNA测序数据,以及通过使用一种CDK12抑制剂处理人前列腺腺癌细胞和卵巢癌细胞,证实关键性的BRCAness基因中的IPA位点也被频繁地使用。

这一结果表明在小鼠细胞系中观察到的CDK12机制在人类中是保守的,而且人卵巢肿瘤和前列腺肿瘤中的CDK12突变可能通过增加IPA活性促进肿瘤发生,从而功能性地减弱同源重组修复。

Dubbury说,“这些结果不仅让我们更好地了解CDK12如何导致BRCAness表型,而且它们也可能在临床上产生令人兴奋的潜在影响。当前的诊断技术可用来检测这项研究中发现的IPA位点的使用情况,以便快速地筛查携带着真正功能丧失的CDK12突变的患者,这样这些患者将会对BRCAness靶向治疗产生反应。”

总之,这些研究人员取得的关于CDK12抑制内含子多聚腺苷酸化的发现对基因结构和癌症控制提供全新的认识。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Sara J. Dubbury et al. CDK12 regulates DNA repair genes by suppressing intronic polyadenylation, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0758-y.
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