Nat Commun | 付向東/王棟團隊合作揭示柯凱因症候群B蛋白(CSB)調控衰老與癌癥的共同機制 - 科學

2024-07-23科學

引言

柯凱因症候群 ( CS ) 是一種嚴重的神經系統疾病，主要由CSA或CSB基因突變引起。 CSB 基因在生物前進演化中高度保守，但先前研究顯示，CSB基因突變在小鼠中主要導致癌癥，而在人類中卻引發早衰和嚴重的神經發育缺陷 【1，2】 。CSB蛋白功能多樣，涉及染色質重塑、核仁蛋白調控等過程。作為SWI/SNF家族的ATP酶，CSB在RNA聚合酶II的轉錄過程中發揮關鍵作用，但其缺陷與CS的直接關聯仍不明確 【3】 。盡管CSB在TC-NER和轉錄延伸等方面作用顯著，但CS的臨床表現常常在無明顯DNA損傷跡象的情況下出現，這表明CSB的單一功能缺陷不足以全面解釋疾病機理。目前普遍認為CS與基因組不穩定性及轉錄中斷有關，但CSB這種普遍性調控機制如何特異性地影響神經元相關基因表現仍不清楚。最新研究在攜帶CSB截斷突變的小鼠中發現了小腦皮層顯著萎縮及脫髓鞘現象，但這些發現仍不足以全面反映CS的復雜病理全貌 【4，5】 。因此，深入揭示CSB突變如何從分子層面逐步累積，並最終導致從小鼠到人類的神經病理表型顯著惡化的分子機制，是該領域亟待解決的重要科學問題。

7月17日，西湖大學 付向東 教授團隊聯合美國加州大學聖地亞哥分校王棟教授團隊在 Nature Communications 雜誌發表了題為 Cockayne Syndrome Linked to Elevated R-Loops Induced by Stalled RNA Polymerase II during Transcription Elongation 的研究論文 【6】 。該研究以R-loop結構為錨點深入探討了CSB蛋白分別在小鼠和人源神經元細胞基因組復制和轉錄過程中的調控作用，揭示了CSB基因突變導致衰老以及癌癥的過程中可能存在共同病理機制。

研究團隊運用了R-ChIP、ChIP-seq、PRO-seq等高通量測序技術，並結合體外轉錄系統和機器學習演算法，全面解析了CSB在轉錄調控和基因組穩定性維持中的核心作用。他們發現，CSB缺陷會導致RNA聚合酶II (RNAPII) 在轉錄延伸過程中，特別是在T-run序列區域出現暫停，進而引發R-loop （RNA-DNA雜合結構）的形成，最終加劇基因組不穩定性。

首先團隊利用之前開發的R-loop高分辨率測序技術R-ChIP，分析發現CSB敲低（KD）導致R-loop數量和大小均增加。ChIP-seq數據顯示，CSB結合位點與R-loop和RNAPII暫停位點高度重合，尤其是在基因體（Gene bodies）內。並且，CSB KD導致RNAPII訊號顯著減弱，這種現象在RNA 轉錄本3'端尤為明顯。此外研究團隊發現，許多由CSB KD誘導新生成的R-loop都包含T-run序列。為驗證T-run序列導致RNAPII暫停的假設，他們設計了體外轉錄實驗並觀察到T-run序列確實引發了RNAPII暫停，而添加Rad26 （CSB的酵母同源物）能顯著緩解這種暫停。

由於CSB缺陷與神經病理學表型密切相關，因此研究團隊在多種來源的小鼠和人源神經細胞進行轉錄組分析，發現CSB KD主要影響神經元功能相關的長基因表現。在人源細胞中，這些基因表現顯著下調；而在小鼠細胞中，由於前進演化導致的內含子長度差異，CSB KD對小鼠基因表現的影響較為有限。上述跨物種的表型差異有助於回答為什麽CSB基因突變在小鼠中主要引發癌癥，而在人類中卻導致早衰和嚴重的神經發育缺陷的科學問題。

這項研究深入揭示了CSB透過幫助RNAPII克服轉錄障礙來維持基因組穩定性的機制。 當CSB缺失時，RNAPII在這些位點暫停，導致R-loop形成，進而引發基因組不穩定。這一機制解釋了為何CSB缺陷在人類中主要影響神經系統，而在小鼠中則主要導致癌癥。更為重要的是，這項研究為理解衰老和癌癥之間的內在聯系提供了全新視角。基因組不穩定性作為衰老和癌癥的共同特征，而CSB透過精密調控R-loop形成來維持基因組穩定，在這一過程中扮演了關鍵角色 （圖1） 。 該研究也為探索基因組不穩定性相關的衰老和癌癥的防治提供了新思路，有望透過精準調控R-loop形成從而減緩衰老行程或抑制癌癥發展。