揭秘：人类约2／3的癌症发生由DNA复制错误导致

　　 真核细胞 DNA 复制叉及 S 期细胞周期检验点 受访者供图

　　人类约2/3的癌症发生被认为是由DNA复制错误导致。

　　在正常细胞生长过程中，基因组不稳定主要来自DNA复制错误。过去 50 年来，停顿DNA复制叉不稳定并倾向于垮塌的原因是困扰生命科学界的核心谜题之一。

　　2021年6月10日，北京大学生命科学学院教授孔道春实验室在美国《国家科学院院刊》在线发表论文，回答了DNA复制叉倾向于垮塌的原因，并揭示了细胞周期检验点（checkpoint）调控维持停顿复制叉稳定的核心分子机制。

　　解开50年谜题

　　“DNA复制错误主要来自DNA复制叉的不稳定。”孔道春对《中国科学报》说，“揭示checkpoint调控维持停顿复制叉稳定的核心分子机制，找到DNA复制叉不稳定的原因，人们就可以有的放矢，在疾病筛查、靶向药物开发方面做很多工作。甚至可以在增强DNA稳定性方面有所作为，如果能让DNA复制叉更稳定，就有可能延长人类（包括其他生命体）的寿命。”

　　孔道春解释说，DNA复制叉主要由两部分构成，Y字型的DNA结构和DNA复制体。DNA复制体包含一系列与复制相关的蛋白质及蛋白质复合物，其中，最重要的是打开双链DNA模板的CMG解旋酶复合物，以及进行新生链DNA合成的DNA聚合酶。

　　“生命科学领域有很多待解谜题，而细胞周期检验点调控维持停顿复制叉稳定机制，是该领域的核心谜题之一。”孔道春说，“正常移动的DNA复制叉是相对稳定的，DNA复制体中的CMG解旋酶与DNA聚合酶在物理及生化功能上紧密偶联。当DNA复制叉遭遇复制障碍停顿下来时，停顿的DNA复制叉被证明是不稳定的，倾向于垮塌。”

　　拉开机制研究帷幕

　　上个世纪60年代末，科学家在裂殖酵母里筛选到了一株突变株，命名为rad3-136。很快，研究人员发现，rad3-136突变株对羟基脲 (HU抑制dNTPs合成，导致DNA复制叉停顿）高度敏感。至此，真核细胞维持停顿DNA复制叉稳定的机制研究拉开了序幕。

　　1988年，Rad3及相关蛋白介导的细胞调控被科学家命名为checkpoint调控,Rad3被归类为ATR激酶。

　　过去50年，前后上千个实验室，用两代人的时间，发表了上万篇研究文章，证明checkpoint是维持停顿DNA复制叉稳定的必需细胞调控。在checkpoint缺失或缺陷的细胞，停顿的DNA复制叉发生垮塌，导致DNA复制不能完成，及基因组的极度不稳定。

　　但在试图阐明checkpoint调控维持DNA复制叉稳定的机制研究方面，科学家碰到了极大阻力。阻力主要来自于checkpoint调控的靶蛋白极难被确定，已发表文章的结论也互相矛盾，导致checkpoint调控维持DNA复制叉稳定的核心机制长期难以确定。

　　阐明核心机制

　　通过大规模的遗传筛选，孔道春实验室发现，复制解旋酶CMG复合体的一个亚基Cdc45的突变，能极大降低(600~3000倍)checkpoint通路缺陷细胞对HU的敏感性。

　　“这暗示Cdc45或CMG复合体可能被checkpoint调控。”孔道春说，“通过一系列遗传及生化分析，我们发现DNA复制叉停顿后，Cds1Chk2同时磷酸化Cdc45亚基上的三个丝氨酸残基。这三个丝氨酸残基的磷酸化导致CMG复制解旋酶活性深度降低。CMG复制解旋酶活性的降低使得它不能脱离停顿复制叉，不能与被阻挡的DNA聚合酶分开。这样，停顿的DNA复制体及复制叉的生化完整性得到了维持，从而阻止了停顿DNA复制叉的垮塌。”

　　“停顿DNA复制叉里的复制解旋酶与DNA聚合酶倾向于分开关联到两件事情，一是DNA复制体或DNA复制叉的基本生化特性；二是正常细胞生长过程中导致复制叉停顿的基本原因。” 该论文共同第一作者刘阳告诉《中国科学报》，“DNA二级结构导致的复制叉停顿是一个经常发生的生物事件。在前导链或后随链的DNA模板上，如果有碱基损伤（每个人细胞每天有约105级别的这类损伤）或化学修饰，也会阻挡DNA聚合酶并导致复制叉停顿。当DNA聚合酶被阻挡后，CMG解旋酶还要往前移动，这样就会导致CMG解旋酶与DNA聚合酶物理上的分开，导致复制叉垮塌。”

　　经过不懈努力，checkpoint调控维持停顿DNA复制叉稳定的核心机制最终得以阐明。即,停顿复制叉不稳定、倾向于垮塌的根本原因是当DNA聚合酶被阻挡后，复制解旋酶与DNA聚合酶倾向于分开。同时checkpoint调控维持停顿复制叉稳定的核心机制是:降低复制解旋酶的活性，阻止复制解旋酶脱离复制叉或DNA聚合酶，维持两者之间在物理及生化功能上的紧密偶联，从而维持停顿复制叉稳定，并保持它的生物学功能。

　　“找到问题，找出问题的原因，往往离解决问题就不远了，希望这些研究能让人们离战胜癌症等重大疾病更近一些。”孔道春说。