利用合成致死（Synthetic Lethality）特異性殺傷腫瘤細胞，是近年來腫瘤臨床治療的一項重要嘗試。特別是靶向 BRCA1/BRCA2 突變的 PARP 抑制劑（PARPi），自問世以來便展現(xiàn)出顯著的臨床療效，為基于合成致死原理的靶向藥物開發(fā)提供了積極的實踐驗證。
然而，PARPi 的應(yīng)用有其局限性，即便在 BRCA1/2 突變的腫瘤細胞中，也并非所有病例均能對其產(chǎn)生敏感應(yīng)答。究其原因，除了耐藥機制的存在，還在于 BRCA1/2 所參與的生物學(xué)過程比以前學(xué)術(shù)界所知的更為復(fù)雜。近年來，BRCA1/2 被發(fā)現(xiàn)在復(fù)制叉穩(wěn)定性維持中發(fā)揮關(guān)鍵作用，然而細胞進行復(fù)制叉穩(wěn)定性維持的分子機制還未得到清晰揭示。
2025年1月14日18時，浙江大學(xué)劉婷教授團隊、方東教授團隊及黃俊教授團隊（博士生謝海華、宋禮志為共同第一作者）合作，在 Nature 子刊 Nature Chemical Biology 上發(fā)表了題為：Synergistic protection of nascent DNA at stalled forks by MSANTD4 and BRCA1/2-RAD51 的研究論文。該研究揭示了一條與 BRCA1/2 合成致死的新通路。
在這項最新研究中，研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個具有與端粒結(jié)合蛋白 TRF1/TRF2 類似的 Myb/SANT-like DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域的新蛋白——MSANTD4（Myb/SANT-like DNA-binding domain-containing protein 4），能結(jié)合于停滯復(fù)制叉翻轉(zhuǎn)臂的 3'-ssDNA 末端，特異性阻礙 RPA-WRN/BLM-DNA2 復(fù)合物對翻轉(zhuǎn)臂上新生 DNA 的過度切割，從而維持停滯復(fù)制叉的穩(wěn)定性。該通路完全獨立于傳統(tǒng)已知的由 BRCA1/2-RAD51 介導(dǎo)的停滯復(fù)制叉保護機制，因此與 BRCA1/2 合成致死。
該研究首次報道了 MSANTD4 在復(fù)制叉穩(wěn)定性維持中的功能及分子機制，為深入理解復(fù)制叉穩(wěn)定性維持的分子機制以及腫瘤治療提供了全新視角。
在高等真核生物中，復(fù)制叉翻轉(zhuǎn)（Fork reversal） 是細胞應(yīng)對復(fù)制壓力的一種進化上高度保守的機制。在此過程中，“三叉”結(jié)構(gòu)的復(fù)制叉在轉(zhuǎn)位酶（例如 SMARCAL1、ZRANB3、HLTF 和 PICH），以及 DNA 拓撲異構(gòu)酶 TOP2A 和 SUMO E3 連接酶 ZATT 等因子的協(xié)作下，被重塑為更穩(wěn)定的“四叉”結(jié)構(gòu)，從而維持復(fù)制叉的動態(tài)平衡。然而，復(fù)制叉翻轉(zhuǎn)臂末端由于其結(jié)構(gòu)類似于單一末端的 DNA 雙鏈斷裂（One-ended DSB），極易受到核酸酶攻擊，從而引發(fā)新生DNA鏈的降解，導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性。
已有研究表明，BRCA1/2 介導(dǎo)的 RAD51-DNA 核纖絲（RAD51 filament） 能夠保護停滯復(fù)制叉的翻轉(zhuǎn)臂，起到維持復(fù)制叉穩(wěn)定性的作用。然而，現(xiàn)有證據(jù)顯示，BRCA1/2-RAD51 軸并不能完全抵御多種核酸酶的攻擊，這表明可能存在獨立于 BRCA1/2-RAD51 的其它保護機制，有待進一步研究和揭示。
在解旋酶 WRN/BLM 等的協(xié)助下，核酸酶 DNA2 可修剪翻轉(zhuǎn)復(fù)制叉的末端，產(chǎn)生帶有 3'-單鏈DNA突出末端（3'-overhanged DNA）的結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)是復(fù)制壓力緩解后，復(fù)制叉通過同源重組（Homologous recombination，HR）實現(xiàn)重啟的關(guān)鍵。然而，若這一切割過程失控，將導(dǎo)致復(fù)制叉的降解，并顯著增加基因組不穩(wěn)定性的風險。因此，如何精確調(diào)控這些復(fù)合物的活性，成為實現(xiàn)停滯復(fù)制叉精準調(diào)控和有效保護的關(guān)鍵科學(xué)問題。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，MSANTD4 蛋白在復(fù)制壓力下能夠被招募至停滯復(fù)制叉，并特異性結(jié)合 3'-overhanged DNA。該蛋白通過拮抗 BLM 或 WRN 對復(fù)制叉翻轉(zhuǎn)臂雙鏈 DNA 的解旋活性，有效阻止了 DNA2 對新生 DNA 的降解。與這一作用一致，MSANTD4 的缺失會導(dǎo)致細胞內(nèi)新生 DNA 降解顯著增加，同時提升細胞對復(fù)制壓力的敏感性。此外，由于 MSANTD4 保護翻轉(zhuǎn)復(fù)制叉末端的機制與傳統(tǒng)的 BRCA1/2-RAD51 軸完全不同，研究者還發(fā)現(xiàn)，MSANTD4 的缺陷能夠進一步加劇 BRCA 缺陷細胞中新生 DNA 的降解現(xiàn)象，并顯著提高這些細胞對復(fù)制壓力的敏感性，展現(xiàn)出“合成致死”的效應(yīng)。
綜上所述，該研究首次報道了 MSANTD4 在復(fù)制叉穩(wěn)定性調(diào)控中的關(guān)鍵功能與作用機制；系統(tǒng)闡明了 MSANTD4 保護停滯復(fù)制叉新生 DNA 鏈的分子生物學(xué)過程；同時揭示了一種 MSANTD4 與 BRCA1/2-RAD51 協(xié)作的新型復(fù)制叉保護模式。該協(xié)同機制能夠有效防止核酸酶對停滯復(fù)制叉翻轉(zhuǎn)臂中新生 DNA 的過度降解，為 BRCA1/2 突變相關(guān)腫瘤的“合成致死”療法開發(fā)提供了潛在的全新靶點。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41589-024-01833-9
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