揭示细胞DNA聚合酶功能分工新机制

2022年3月15日，美国科学院院刊PNAS在线发表浙江大学生命科学学院微生物研究所特聘研究员张珂为第一作者的研究论文Global genomic instability caused by reduced expression of DNA polymerase ε in yeast。该研究揭示了DNA聚合酶epsion表达限制诱导的全局性基因组不稳定规律和遗传机制。

真核生物基因组的复制至少需要三种核心DNA聚合酶Polα、Polε和Polδ协同作用，一般认为Polε和Polδ分别负责前导链和滞后链的合成。当染色体上存在损伤位点时，细胞可借助多种易错DNA聚合酶进行跨损伤合成。张珂博士前期工作借助杂合二倍体酵母的高丰度SNP标记和高通量测序建立了一种允许在全基因组水平上高分辨率分析基因组稳定性的技术体系和分析流程（Zheng et al, PNAS, 2016），并阐明了酵母细胞在自发条件下的基因组变异和进化规律（Sui et al, PNAS, 2020）。在此基础上，这项研究通过启动子替换下调了Polε的表达水平对酵母细胞施加复制压力，首次在全基因组水平揭示了Polε功能缺陷诱导的全局性基因组不稳定模式。发现Polε和Polδ两种聚合酶表达下调使有丝分裂重组率均提高一个数量级以上，但诱导的重组热点不同；Polε功能缺陷显著缩短染色体端粒并诱发末端杂合性丢失事件；细胞在DNA复制压力下倾向于减少rDNA基因拷贝数，可能是细胞适应DNA复制压力的策略之一；C到G或G到C的突变率在Polα、Polε和Polδ三种聚合酶表达限制时均显著提高，是由易错DNA聚合酶Polζ在复制压力下更多被招募到复制叉所致。

同时，张博士实验室还发现Polζ在抗肿瘤药物博来霉素诱导基因组T碱基缺失或T到G特征性突变中发挥主要作用。阐明了这种突变模式是由于博来霉素在5'-GT-3'基序处引起T位点的碱基氧化，形成了无碱基AP位点；易错DNA聚合酶Rev1倾向于在AP位点对面加入碱基C再由Polζ进行延伸合成，进而造成T到G的突变或经过一个碱基的滑步使T缺失。Rev1和Polζ催化亚基缺失的酵母细胞对博来霉素表现出敏感性进一步支持了该模型。这些发现打破了以往普遍认为博来霉素诱导单碱基缺失是由于非同源末端连接NHEJ途径引起的观念。这项工作发表在美国微生物学会刊物Applied Environmental Microbiology。

上述工作进一步明确了不同DNA聚合酶在维持基因组稳定性中的功能分工，在基因组特征性变异模式形成机制上提出了新见解。研究工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金资助，浙江大学吴雪昌教授、郑道琼教授、美国杜克大学的Thomas D. Petes教授和隋阳博士后是本研究共同完成者。（来源：浙江大学）