Nature | 系统绘制人类DNA损伤修复通路基因合成致死遗传图谱助力癌症治疗新靶点的发现

摘要：DNA损伤反应（DNA Damage Response,DDR）是一类负责修复各种不同类型DNA损伤的通路。即使在没有外界刺激的正常细胞增殖过程中，也会不断激活这些通路去处理如复制错误、DNA断裂等问题【1,2】。这种损伤如果没有及时修复，会导致基因组不稳定，

撰文 |Sure

DNA损伤反应（DNA Damage Response,DDR）是一类负责修复各种不同类型DNA损伤的通路。即使在没有外界刺激的正常细胞增殖过程中，也会不断激活这些通路去处理如复制错误、DNA断裂等问题【1,2】。这种损伤如果没有及时修复，会导致基因组不稳定，诱发衰老、癌症等疾病【1】。虽然过去几十年科研界对许多DDR通路的功能和机制已有详细了解，但一个突出的问题是：DDR通路之间存在明显的功能重叠关系。即使某个基因或通路功能缺失，细胞可能仍能依靠其他通路存活下来，这种互补机制导致：单独研究某一个基因往往很难察觉其真实的重要性；一些基因的真正功能或作用可能隐藏在复杂的基因相互作用网络中。因此，为了揭示这种复杂的网络关系，研究者需要系统性地分析不同基因之间的相互作用。

近日，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Jacob E. Corn课题组在Nature上发表了论文Comprehensive interrogation of synthetic lethality in the DNA damage response。在本研究中，作者大规模、系统地绘制了人类DDR基因合成致死遗传网络。在基础研究层面，为深入理解DDR系统的复杂性、冗余性及备份机制提供了强大工具与资源。在临床转化层面，揭示了一批明确、具有高度治疗潜力的新靶标，特别是对于DDR功能缺陷癌症的治疗提供了新思路。

在基因互作的研究中，有一个特别重要的概念是合成致死。例如，两个基因A和B单独失活，细胞都可以生存，但同时失活A和B，细胞却无法存活，说明A和B各自承担了互补的修复功能。为了研究DDR通路中双基因的合成致死关系，作者提出了一种系统化、规模化的筛选方法——基于CRISPRi的双基因同时沉默策略【3】。即同时对两个不同基因进行轻度的表达抑制，从而避免直接引起DNA损伤，同时更真实地模拟癌症中常见的DDR基因表达降低状态。作者挑选了与DNA修复有关的548个核心基因，构建sgRNA组合文库（SPIDR文库），对约15万个基因组合的相互作用进行研究。

通过筛选SPIDR文库，在无外界诱导DNA损伤的情况下，作者系统性揭示了正常细胞维持DNA稳定性过程中所需的合成致死互作网络。利用该方法，作者重现了已知的DDR合成致死关系，如BRCA2与RAD9A、CHEK1与TOP3A，这些发现证实了该方法的可靠性。作者共发现约5000个显著的合成致死组合，占所有组合的约3.4%。在这些组合中，也存在非常多首次报道的合成致死基因组合，例如WDR48–USP1与LIG1或FEN1、FANCM与SMARCAL1的合成致死等。

接下来，作者对这两组新发现的组合进行详细的机理探索。首先作者解析了WDR48–USP1与LIG1/FEN1的关系。LIG1/FEN1参与DNA复制过程中Okazaki片段的连接。若LIG1或FEN1缺失，DNA出现大量单链缺口，引起RAD18蛋白对PCNA的过度泛素化修饰，最终导致PCNA蛋白降解。而WDR48–USP1的作用在于去除PCNA的泛素化修饰，避免PCNA降解。研究发现，当LIG1/FEN1与WDR48–USP1同时缺失时，细胞内PCNA蛋白被大量降解，DNA复制无法进行，引起严重的DNA复制不足和基因组不稳定，细胞最终死亡。这一发现对癌症研究具有一定的启示，例如在FEN1突变的结直肠癌中，抑制USP1可能是一种有效的治疗方法。

另一对组合是FANCM与SMARCAL1，FANCM与SMARCAL1都是DNA转位酶，负责在DNA复制过程中清除cruciform DNA结构。TA重复序列在复制时易形成这种cruciform结构，若未及时移除，会被核酸内切酶（特别是ERCC1–ERCC4）错误剪切成DNA双链断裂。作者研究发现，当FANCM和SMARCAL1同时缺失，细胞无法处理十字型结构，导致TA重复区出现大量DNA双链断裂（尤其在晚期复制区域）。这些损伤未及时修复，进入细胞分裂后引发严重染色体断裂，导致细胞无法存活。这一发现指示癌症中特定DNA序列结构存在弱点，可作为癌症治疗的新靶点，例如ERCC2突变的膀胱癌可能对DNA-PKcs抑制剂敏感。

作者将研究数据开放分享，构建了名为SPIDR web的在线数据库，提供完整的DDR基因互作数据，为后续研究提供重要资源。该数据库系统的绘制了首个高质量的人类DDR基因相互作用合成致死网络，揭示了多个DDR相关的未知基因功能及合成致死机制，这些发现为癌症治疗提供了非常多的潜在靶点，有助于临床转化的推进。

制版人：十一

参考文献

1. Jackson, S. P. & Bartek, J. The DNA-damage response in human biology and disease.Nature461, 1071–1078 (2009).

2. Cortez, D. Replication-coupled DNA repair.Mol. Cell74, 866–876 (2019).

3. Horlbeck, M. A. et al. Mapping the genetic landscape of human cells.Cell174, 953–967. e22 (2018).

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