Nature Commun | 湖南師范大學、中國農(nóng)業(yè)大學等多家單位揭示植物DNA損傷修復調(diào)控新機制

基因組的完整性是細胞發(fā)揮功能和維持生存的核心基礎，而極端的自然環(huán)境會對DNA造成嚴重的損傷。DNA雙鏈斷裂（DNA double-strand breaks, DSB）是最嚴重的損傷類型之一，會導致染色體異常、細胞癌變及死亡。同源重組修復（Homologous Recombination, HR）是最精確的損傷修復方式，根據(jù)修復機制的不同，又可分為合成依賴的鏈退火修復（synthesis-dependent strand-annealing, SDSA）和單鏈退火途徑（single-strand annealing, SSA）。HR機制的研究具有重要的科學意義和潛在的應用價值，目前仍然有很多關鍵組分及調(diào)控機制有待被進一步的發(fā)現(xiàn)和闡明，如SDSA修復途徑中調(diào)控DNA鏈退火過程的關鍵蛋白、HR相關蛋白發(fā)生液-液相分離的分子機制等。

針對這些問題，近日，湖南師范大學李東屏教授課題組聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學/河北大學鞏志忠教授課題組、遺傳所趙玉勝研究員團隊，在國際期刊Nature Communications在線發(fā)表了題為AtMCM10 facilitates SDSA-mediated intermolecular homologous recombination repair via liquid-liquid phase separation in DNA damage response的研究論文。

在該研究中，研究者發(fā)現(xiàn)擬南芥mcm10突變體對DNA損傷試劑（如Zebularine，MMC）及高鹽脅迫處理表現(xiàn)出敏感的表型，細胞內(nèi)會積累大量斷裂的DNA，最終導致細胞死亡。細胞學觀察發(fā)現(xiàn)，在響應DNA損傷脅迫時， AtMCM10蛋白會在損傷位點處發(fā)生液-液相分離，且單鏈DNA也會促進AtMCM10蛋白發(fā)生相分離。遺傳分析表明，AtMCM10主要位于ATM通路的下游。研究者發(fā)現(xiàn)AtMCM10具有DNA鏈退火活性，可將單鏈DNA迅速退火成雙鏈DNA。而在Atmcm10突變體中，由于退火過程無法快速進行，導致SDSA損傷修復途徑在響應損傷脅迫時無法高效的完成。

該研究揭示了AtMCM10在HR修復過程中的功能：AtMCM10可感知損傷位點的單鏈DNA，并在單鏈DNA的作用下在損傷位點附近聚集并發(fā)生液-液相分離，之后AtMCM10通過其DNA鏈退火活性迅速將受損的一條DNA鏈與完好的同源DNA鏈退火成雙鏈，以保證SDSA修復途徑能精確迅速的完成。該研究首次鑒定并報道了SDSA修復途徑中的關鍵DNA鏈退火蛋白，為基于 HR 修復機制的相關技術(shù)研發(fā)提供了新的基因資源；解析了單鏈DNA 與內(nèi)在無序區(qū)（intrinsically disordered regions, IDRs）共同驅(qū)動 AtMCM10 在損傷位點發(fā)生液–液相分離的分子機制，拓展了對 HR 途徑中損傷修復調(diào)控模式的理論認識。此外，該研究探究了高鹽脅迫誘導的DNA 損傷修復的關鍵過程，為改良作物耐鹽性提供了新的思路。

AtMCM10調(diào)控DNA損傷修復的工作模型

湖南師范大學博士后趙新杰與中國農(nóng)業(yè)大學博士后張?zhí)烊?/strong>、已畢業(yè)博士金丹為該論文共同第一作者，中國農(nóng)業(yè)大學/河北大學鞏志忠教授、湖南師范大學李東屏教授、趙新杰及中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所趙玉勝研究員為本文共同通訊作者，中國農(nóng)業(yè)大學博士生陳慧、博士后白櫟及湖南師范大學研究生夏詩琪參與了該工作。中國農(nóng)業(yè)大學郭巖教授對該研究提供了重要指導和技術(shù)支持。湖南師范大學田連福校聘副教授、青年講師黃驪群及湖南文理學院郝小花副教授對該研究提供了指導和幫助。該工作得到了中國博士后科學基金面上項目、湖南省自然科學基金青年基金項目和湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66705-9