细胞如何应对复制压力？研究发现ATAD5具双重作用

DNA存储了生命现象所需的所有信息，而细胞通过DNA复制和细胞分裂将自身的遗传信息传递给两个子细胞。在DNA复制过程中，来自细胞外和细胞内因素引起的复制压力可能导致DNA复制的停滞或者终止。如果细胞不能适当应对这种风险，就会发生染色体断裂和重排，从而导致基因组不稳定。这有助于解释为什么DNA复制压力是导致癌症发展的主要因素之一。

尽管许多DNA修复蛋白在压力条件下起着保护和重启停滞的复制过程的作用，但目前尚不清楚：在DNA复制中起真正作用的复制体（replisome）蛋白是如何与这些蛋白相互作用、进行细胞通讯以确保忠实的DNA复制。

在韩国Ulsan国立科学技术研究院（UNIST）基础科学研究所（IBS）的基因组完整性研究中心主任Kyungjae Myung和Lee Kyoo-young Lee博士的带领下，韩国研究人员揭示了ATAD5除了已知具有防止这种压力的功能外，它还能应对复制压力。尽管已知ATAD5作为肿瘤抑制因子具有维持基因组稳定性和抑制肿瘤发生的作用，但是尚不清楚复制调节蛋白是否也参与复制应激反应。Myung主任解释说：“我们已经确定了复制应激控制的基本机制，这是导致癌症的主要原因。希望我们的工作将有助于癌症治疗的发展。”

Kyungjae Myung研究小组发现，ATAD5通过从DNA上去除环状PCNA来调节PCNA功能、确保复制循环的完整结束，PCNA是DNA聚合酶δ的辅助蛋白，作用是确保聚合酶能持续合成且在工作过程中不会从模板上脱落。ATAD5缺失的细胞表现出复制压力的特征——例如复制速度慢。尽管ATAD5缺失引起的这些细胞反应可能是由于ATAD5对PCNA的调节活性，但研究人员推测ATAD5可能在抵抗复制压力方面具有其他作用。 ATAD5蛋白本身在DNA复制过程中起着重要作用，因此实验中减少细胞中ATAD5的量会导致许多与正常DNA复制相关的异常。因为在DNA复制过程中也会产生复制压力，所以区分ATAD5缺乏对复制压力和常规DNA复制过程的影响至关重要。

为了克服这个问题，研究人员设计了一种实验方法，在复制压力开始时诱导ATAD5缺失。研究发现，当ATAD5水平降低时，细胞将无法恢复由于复制压力而停滞的DNA复制，还会增加基因组的不稳定性，例如细胞内染色体断裂、小鼠血液中的微核化网织红细胞。这意味着ATAD5能够在复制压力下恢复DNA复制而有助于维持基因组稳定性。

此后，他们进行实验以阐明ATAD5重新启动DNA复制的分子机制。已知RAD51对因复制压力而停滞的复制位点的结构变化和稳定性起关键作用。研究人员发现，ATAD5通过直接的蛋白质-蛋白质相互作用而促进RAD51募集到停滞的复制位点周围。

此外，研究人员还报告说，ATAD5卸载PCNA是有效征募RAD51的先决条件。这些表明，从RAD51募集开始并导致结构变化，断裂和最终复制重启的一系列过程均受ATAD5的调控。这些发现突出表明，ATAD5在维持基因组稳定性方面的作用超出了其在正常DNA复制过程中卸载PCNA的作用。这项研究的第一作者Su Hyung Park博士指出：“在许多癌细胞中经常发现ATAD5基因的突变。这项研究有助于理解ATAD5突变导致肿瘤形成的原因。”

复制压力可能是由细胞外来源（如致癌基因和化学物质）引起的。但是，最近的研究表明，细胞内源性因素，例如DNA特异性结构或特定蛋白的异常功能，也可能引起复制压力。这项研究有助于进一步深入理解细胞应对复制压力的初始反应，还提供了一种新的概念性进展，即蛋白质可以在控制复制压力中发挥双重作用：先发制人的预防和复制压力的解决。这项研究的通讯作者Kyoo-young Lee博士说：“将来，我们将研究内部因素如何导致复制压力，以及细胞如何选择性地识别并应对不同的压力源。”