Sci Adv | 楼振坤团队报道细胞外基质机械硬度调节细胞DNA损伤修复

双链DNA断裂(DNA double-strand breaks, DSBs)是一种致死的DNA 损伤形式【1】。如果细胞中DSB不能及时修复，可能导致细胞周期阻滞以及细胞凋亡。当细胞内发生DSB时，细胞首先在DNA断裂的附近激活蛋白激酶ATM。激活的ATM磷酸化染色体组蛋白H2Ax，从而招募下游的MDC1/RNF8/RNF168等信号分子【2-7】。RNF8和RNF168协同催化组蛋白H2A 和H2AX 上K63泛素化链的形成。形成的泛素链能招募一系列DNA修复分子包括RAP80, BRCA1以及53BP1，从而修复受损的DNA【8-10】。细胞修复DSB的能力决定了放疗及化疗的效果。如果DSB修复不能正常进行，将导致细胞对放疗和化疗的敏感性增加。众多研究已表明细胞内DSB修复受到细胞外微环境的调节，包括生长因子EGF，葡萄糖等化学因素。但细胞外的物理环境，比如细胞外基质机械硬度，是否调节DSB修复尚不清楚。

2020年9月12日，梅奥医学中心楼振坤课题组在Science Advances发表题为Extracellular matrix stiffness determines DNA repair efficiency and cellular sensitivity to genotoxic agents的论文，首次阐述了细胞外基质机械硬度对DNA修复的影响。同时该研究也 揭示了细胞外基质机械硬度调节DNA修复的分子机制，为提高肿瘤的放疗及化疗敏感度提供了新的思路。

文章首先发现当细胞生长在软基质上时，细胞对化疗药物以及X射线的敏感度增加。小鼠成瘤实验也进一步证实细胞外基质机械硬度调节细胞对化疗的敏感性。同源重组（HR）和非同源末端链接（NHEJ）是细胞修复DSB的两种主要修复机制。在软基质上生长的细胞内， 同源重组（HR）和非同源末端链接（NHEJ）两种修复机制同时受到明显抑制。通过细胞生物学进一步研究，作者发现细胞外基质机械硬度主要调节RNF8下游的泛素化信号通路。

此前研究表明RAP2-MAP4K-LATS1/2-YAP信号通路在细胞机械感应过程中发挥重要作用。为进一步研究细胞外基质机械硬度如何调节DNA修复通路，作者利用一系列基因敲除细胞株测试了RAP2-MAP4K-LATS1/2-YAP通路在DNA修复中的作用。作者发现，在软基质上的细胞中敲除RAP2或者MAP4K激酶能恢复DNA修复功能，但敲除LATS1/2激酶不能恢复DNA修复功能。这一系列的实验表明，细胞外基质机械硬度主要通过细胞膜蛋白RAP2以及其下游MAP4K激酶调节DNA修复。

最后，作者研究发现MAP4Ks主要通过磷酸化泛素分子T66位点调节DNA修复。磷酸化的泛素分子能抑制RNF8活性，导致RNF8介导的泛素化反应无法正常进行，进而抑制下游DNA修复分子的招募。在软基质上的细胞中引入泛素分子的突变体T66A可恢复DNA修复功能。

总之，本研究发现在软基质上生长的细胞会激活RAP2-MAP4K信号通路，从而介导泛素分子被磷酸化。磷酸化的泛素分子抑制RNF8介导的泛素化信号，导致下游DNA修复分子无法招募，进而抑制DNA修复。这项研究表明细胞外基质机械硬度是调节DNA修复的重要因素，通过调节肿瘤细胞外基质机械硬度或可改善放化疗敏感度。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/37/eabb2630

参考文献

1. K. Valerie, L. F. Povirk, Regulation and mechanisms of mammalian double-strand break repair. Oncogene 22, 5792-5812 (2003).

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3.M. Goldberg et al., MDC1 is required for the intra-S-phase DNA damage checkpoint. Nature 421, 952-956 (2003).

4.Z. Lou, K. Minter-Dykhouse, X. Wu, J. Chen, MDC1 is coupled to activated CHK2 in mammalian DNA damage response pathways. Nature421, 957-961 (2003).

5. C. H. Bassing et al., Increased ionizing radiation sensitivity and genomic instability in the absence of histone H2AX. P Natl Acad Sci USA 99, 8173-8178 (2002).

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8.M. S. Y. Huen et al., RNF8 transduces the DNA-damage signal via histone ubiquitylation and checkpoint protein assembly. Cell 131, 901-914 (2007).

9.N. K. Kolas et al., Orchestration of the DNA-damage response by the RNF8 ubiquitin ligase. Science 318, 1637-1640 (2007).

10.N. Mailand et al., RNF8 ubiquitylates histones at DNA double-strand breaks and promotes assembly of repair proteins. Cell 131, 887-900 (2007).