Nat Commun | 付向东/王栋团队合作揭示柯凯因综合征B蛋白(CSB)调控衰老与癌症的共同机制 - 科学

2024-07-23科学

引言

柯凯因综合征 ( CS ) 是一种严重的神经系统疾病，主要由CSA或CSB基因突变引起。 CSB 基因在生物进化中高度保守，但先前研究显示，CSB基因突变在小鼠中主要导致癌症，而在人类中却引发早衰和严重的神经发育缺陷 【1，2】 。CSB蛋白功能多样，涉及染色质重塑、核仁蛋白调控等过程。作为SWI/SNF家族的ATP酶，CSB在RNA聚合酶II的转录过程中发挥关键作用，但其缺陷与CS的直接关联仍不明确 【3】 。尽管CSB在TC-NER和转录延伸等方面作用显著，但CS的临床表现常常在无明显DNA损伤迹象的情况下出现，这表明CSB的单一功能缺陷不足以全面解释疾病机理。目前普遍认为CS与基因组不稳定性及转录中断有关，但CSB这种普遍性调控机制如何特异性地影响神经元相关基因表达仍不清楚。最新研究在携带CSB截断突变的小鼠中发现了小脑皮层显著萎缩及脱髓鞘现象，但这些发现仍不足以全面反映CS的复杂病理全貌 【4，5】 。因此，深入揭示CSB突变如何从分子层面逐步累积，并最终导致从小鼠到人类的神经病理表型显著恶化的分子机制，是该领域亟待解决的重要科学问题。

7月17日，西湖大学 付向东 教授团队联合美国加州大学圣地亚哥分校王栋教授团队在 Nature Communications 杂志发表了题为 Cockayne Syndrome Linked to Elevated R-Loops Induced by Stalled RNA Polymerase II during Transcription Elongation 的研究论文 【6】 。该研究以R-loop结构为锚点深入探讨了CSB蛋白分别在小鼠和人源神经元细胞基因组复制和转录过程中的调控作用，揭示了CSB基因突变导致衰老以及癌症的过程中可能存在共同病理机制。

研究团队运用了R-ChIP、ChIP-seq、PRO-seq等高通量测序技术，并结合体外转录系统和机器学习算法，全面解析了CSB在转录调控和基因组稳定性维持中的核心作用。他们发现，CSB缺陷会导致RNA聚合酶II (RNAPII) 在转录延伸过程中，特别是在T-run序列区域出现暂停，进而引发R-loop （RNA-DNA杂合结构）的形成，最终加剧基因组不稳定性。

首先团队利用之前开发的R-loop高分辨率测序技术R-ChIP，分析发现CSB敲低（KD）导致R-loop数量和大小均增加。ChIP-seq数据显示，CSB结合位点与R-loop和RNAPII暂停位点高度重合，尤其是在基因体（Gene bodies）内。并且，CSB KD导致RNAPII信号显著减弱，这种现象在RNA 转录本3'端尤为明显。此外研究团队发现，许多由CSB KD诱导新生成的R-loop都包含T-run序列。为验证T-run序列导致RNAPII暂停的假设，他们设计了体外转录实验并观察到T-run序列确实引发了RNAPII暂停，而添加Rad26 （CSB的酵母同源物）能显著缓解这种暂停。

由于CSB缺陷与神经病理学表型密切相关，因此研究团队在多种来源的小鼠和人源神经细胞进行转录组分析，发现CSB KD主要影响神经元功能相关的长基因表达。在人源细胞中，这些基因表达显著下调；而在小鼠细胞中，由于进化导致的内含子长度差异，CSB KD对小鼠基因表达的影响较为有限。上述跨物种的表型差异有助于回答为什么CSB基因突变在小鼠中主要引发癌症，而在人类中却导致早衰和严重的神经发育缺陷的科学问题。

这项研究深入揭示了CSB通过帮助RNAPII克服转录障碍来维持基因组稳定性的机制。 当CSB缺失时，RNAPII在这些位点暂停，导致R-loop形成，进而引发基因组不稳定。这一机制解释了为何CSB缺陷在人类中主要影响神经系统，而在小鼠中则主要导致癌症。更为重要的是，这项研究为理解衰老和癌症之间的内在联系提供了全新视角。基因组不稳定性作为衰老和癌症的共同特征，而CSB通过精密调控R-loop形成来维持基因组稳定，在这一过程中扮演了关键角色 （图1） 。 该研究也为探索基因组不稳定性相关的衰老和癌症的防治提供了新思路，有望通过精准调控R-loop形成从而减缓衰老进程或抑制癌症发展。