臺大團隊解開DNA複製修復機制研究成果發表於Nature Communications

DNA 複製對生物的發育、個體生長，和器官維持細胞數目的恆定所不可或缺。如果DNA複製發生錯誤，會導致基因突變而造成細胞變異，甚至演變成癌症。因此細胞發展出一套保護機制，當DNA 複製過程中，遇到DNA損傷或因種種複製壓力 (Replication stress) 造成阻礙時，複製叉 (Replication Fork) 會進入停滯狀態，並轉變成反轉複製叉 (Reversed fork) 的特殊DNA結構，藉以保護停滯的複製叉因而崩裂瓦解。同時，細胞內RAD51重組酵素會聚集至損傷處，在反轉複製叉的單股DNA上，形成核蛋白絲 (RAD51 filament) 聚合物，去保護新合成的DNA，不被核酸分解酵素 (Nuclease) 降解，並協助重新啟動DNA複製。然而，在整個反應過程中，因細胞高有大量的RPA蛋白複合體，因其對單股DNA有高度結合力，會阻礙RAD51和單股DNA結合。因此對於RAD51核蛋白絲在反轉複製叉上形成的調控機制，仍有許多未知。

在先前的研究中，研究團隊發現CST蛋白複合體 (CTC1-STN1-TEN1) 具有保護反轉複製叉及調控RAD51的角色。而在本篇研究，團隊以不同專長及互補的技術，從細胞層次、蛋白質與DNA生化功能分析、及單分子觀測量測，闡明細胞在複製壓力下的精細的調控機制。在細胞的影像實驗，觀察到在複製壓力下，RPA跟CST蛋白二者會共同聚集在停滯複製叉上。本篇第一作者李啟恆博士，利用多樣化的蛋白表達系統及蛋白純化的策略，成功純化出高純度的CST、RPA，和RAD51重組蛋白，進一步分析它們相互作用的生化特性。研究結果顯示，CST和RPA蛋白能共同結合在相同的單股DNA上，且CST和RAD51有直接的蛋白和蛋白交互作用，因此CST可以把RAD51帶到有RPA結合的單股DNA上。同時，共同第一作者楊翰霖碩士也利用單分子螢光實驗，進一步證明CST跟RPA的確是共存在同一條單股DNA上。此研究闡明RPA和CST 這兩個具有多個OB摺疊結構域(OB fold domain)的蛋白，藉由它們不同DNA結合力的OB摺疊結構域，彼此間競爭來達到兩個蛋白可以共存在同一個DNA分子上 (圖一)。由於細胞中大量的RPA阻礙了RAD51結合到反轉複製叉上，而透過CST和 RPA共存的能力，可以協助RAD51在聚集在DNA 形成核蛋白絲，進而促進後續DNA複製修復 (圖二)。

CST的突變會造成生長遲滯、骨髓衰竭、神經性病變、肝纖維化，癌症等疾病，本篇研究發現CST在DNA複製上的重要角色，闡釋造成這些疾病的可能成因，對於未來的診斷和治療上提供更多資訊。另外，癌症由於其快速生長的特性，會累積很多DNA複製壓力。若檢測出這些癌症中帶有CST突變，無法正常修復DNA複製壓力，則可以針對這一類癌症處理造成複製壓力的藥物，達到標靶治療的效果。

論文全文現已發表在Nature Communications，本次的研究成果再次顯示跨領域的團隊合作重要性，藉由研究專長的互補，除了加速研究的進行，也可由不同角度的思考，將問題探討的更加深入。此研究是由科技部計畫、臺大，及中央研究院支持下進行，論文參與的人員有臺大生化所冀宏源教授團隊 (李啟恆、張皓衍、葉欣怡)，臺大化學系李弘文教授團隊 (楊翰霖、李子于)，以及美國Weihang Chai教授團隊(Dinh Duc Nguyen，Xinxing Lyu，Megan Chastain)共同完成。

論文全文：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26624-x

臺大生化科學所冀宏源教授網頁： http://ibs.ntu.edu.tw/about/staffDetail/49

臺大化學系李弘文教授網頁：https://www.ch.ntu.edu.tw/member/faculty/hwli/

Weihang Chai教授網頁：https://weihangchai.wixsite.com/chailab