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染色体碎裂(chromothripsis)与肿瘤

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发表于 2017-2-11 09:10:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
如果在细胞分裂过程中出现染色体分离错误的话,就会形成一条滞后染色体,最终形成微核,而微核会发生粉碎和重排。母细胞在分裂之后可以产生两个子细胞,其中一个子细胞携带有一条碎裂化的染色体。在微核中,滞后染色体的分离会导致基因组发生灾难性的重排。

由于DNA会自发性地发生突变,因此人类基因组处于持续变化的状态之中。虽然大多数遗传变异不会对人类健康产生危害,但是它们偶尔也会干扰细胞的正常功能,导致机体出现癌症或先天性疾病。人类基因组中大多数新出现的遗传变异只会影响一个或少数几个核苷酸。然而,如果基因组结构发生染色体碎裂(chromothripsis)这类灾难性改变的话,就会导致一条或甚至好几条染色体上的DNA出现戏剧性的重排。Zhang等人在最近的一项研究中揭露了引发染色体碎裂的一种分子机制。

人们很早就发现,染色体碎裂是癌症基因组与先天性疾病患者基因组内的一种突变现象。染色体碎裂是促进癌症发生的一类重要的基因组变异。这种基因组变异的发现已经极大地影响了我们对癌症发病过程的想法。染色体碎裂并不是指渐进性的、连续性的遗传变异的积累,它可以使癌症基因组突然发生改变,可以同时影响多个基因的功能。自从取得了这些初步发现之后,研究者们已经针对染色体碎裂的分子学病因展开了大量的辩论。

染色体碎裂的主要特点是:染色体上出现大范围的、成簇的重排现象、断裂的DNA末端随意地进行连接、基因频频出现缺失的情况。研究者们在这些基因组特征的基础上提出了一个重排机理模型;该模型认为,双链DNA断裂可以使染色体发生大范围的碎裂,随后,染色体碎片就会被重新组装成一条新的嵌合型染色体。

研究者们以先天性疾病患者体内被重排的基因组的结构为基础,提出了另一套染色体碎裂模型。先天性疾病患者的基因组上存在有一些特殊的区域,交替出现基因组缺失、复制、甚至三倍体基因组的现象,这就表明异常的DNA复制参与了染色体碎裂的过程。染色体碎裂形成过程中的这种DNA复制模式被称为微同源介导的断裂诱导复制(microhomology-mediated break-induced replication, MMBIR)。从本质上而言,在MMBIR过程中会出现复制叉(replication fork)断裂,从而使复制叉的单链DNA末端暴露出来,与另一条不同的无关DNA模板重新组装成新的复制叉。

可以说,染色体碎裂最吸引人的地方在于:大范围的重排现象仅仅会出现在一条或几条染色体上——这就引发了一个问题:基因组中的其它染色体是如何逃避染色体碎裂的呢?Pellman实验室对此提出了一个有趣的假设;该实验室曾经研究过滞后染色体(lagging chromosome,由染色体分离错误所引起的)周围的微核(micronucleus)结构。微核内的游离性染色体会在DNA复制过程(S期)中和细胞周期G2期间不断地累积DNA的损伤。由于微核的核膜萎缩,因此DNA损伤水平与区室化的缺失程度密切相关,而区室化缺失则会降低细胞核的正常功能。Crasta等人的研究工作表明,微核中的一小部分染色体会被粉碎掉,从而证明微核可能是染色体碎裂的来源。

然而,我们仍然存在一个疑问:研究者们在最初的基因组测序研究中观察到,碎裂的染色体会重新组装成“补丁”样的染色体,那么微核中被粉碎的染色体是否也会重新组装成类似的染色体呢?想要回答这个问题,就需要结合细胞生物学实验和基因组测序技术。由于肿瘤抑制基因p53的截短突变与染色体碎裂有关,因此Zhang等人在当前开展的研究中抑制了人类上皮细胞中p53基因的活性,从而诱导细胞出现染色体分离错误。随后,他们利用一套复杂的、被称为Look-Seq的设备(同时具有活细胞成像和单细胞测序的功能),密切追踪了微核化的滞后染色体的命运。研究者们对携带有微核的子细胞中的完整基因组进行了全面测序。在此研究过程中跳出了一个“拦路虎”:即需要确定存在于母细胞微核中的染色体是哪一条?研究结果表明,在母细胞形成微核后所产生的两个子细胞中,(至少)有一种染色体的数量是不对称的:要么是2:1,要么是3:2。研究者们早就预料到这种情况的存在,因为微核中的DNA复制水平是下降的。母细胞每次分裂之后,都会将其微核化的染色体传递给染色体数量较高的那个子细胞,即“加量”细胞(plus cell)。

研究者们在后续的分析中解决了这样一个问题:母细胞中微核的DNA损伤是否会使子细胞中经微核传递的染色体上的重排次数增加呢?研究者们确实观察到了相关的现象:首先,在数量不对称的染色体上有很多的重排现象。此外,有一些遗传变异可以用来区分两条同源染色体,研究者们根据这些遗传变异的情况推断得出:大多数重排现象会特异性地发生在加量细胞中多余的染色单体上。这就表明染色体重排是由母细胞微核中的DNA断裂所引起的。在Zhang等人所研究的众多细胞中,有一种细胞的两条染色体同时出现了微核,这就导致了染色体间易位(interchromosomal translocation)的发生。此外,他们还发现了较短的、圆形的染色体片段。Zhang等人推测这些圆形片段是“双微体(double minutes)”的前体。双微体是一种无着丝粒染色体(acentric chromosome),是导致人类癌症中致癌基因扩增的一个常见原因,并且与染色体碎裂密切相关。

研究者们对子细胞中复杂的染色体重排现象的基因组特征进行了评价,以便深入了解染色体重排的机制。他们在对断裂点连接(即断裂的DNA末端彼此之间连接在一起的结合点)进行分析后,往往都发现染色体短片段之间具有序列同源性——即微同源(microhomology),从而表明具有替代作用的末端连接或者MMBIR可以对DNA断裂进行修复。此外,研究者们还发现在被重排的染色体中,位置较远的基因区域上有一些短片段会连接成暂时性的DNA链,从而证明MMBIR会进行连续性的模板转换。Zhang等人除了研究断裂点序列以外,他们还检查了染色体上是否会出现DNA片段交替缺失和保留的情况,因为这种情况是肿瘤基因组中染色体碎裂的一个典型特征。他们因而观察到了一个有趣的现象:他们在两个子细胞中均发现,被重排的染色单体上分布有相互排斥的DNA片段。一个子细胞中的DNA片段被保留了下来,而另一个子细胞中的DNA片段却是缺失的,反之亦然。因此,DNA片段的缺失并不是导致染色体碎裂性缺失的原因,而癌症基因组测序数据也很好地证明了这一点。染色体片段反而能够被分配到两个子细胞中去。

Zhang等人的研究工作明确表明,在存在微核的情况下,滞后染色体上的DNA损伤是导致染色体碎裂的一个重要机制。Zhang等人的论文证实,破碎的染色体片段的随机连接,以及在DNA复制期间由于复制叉停滞所引起的模板转换都是导致染色体碎裂的重要原因。毋庸置疑,他们所拥有的强大的实验系统将会促使研究者们取得新的发现,把细胞生物学与这些基因组突变标记联系起来。

但是他们的成就还远不止这些:他们还发现了一种新的突变机制,该机制在通常情况下是导致染色体重排的一个可能普遍存在的原因,而染色体碎裂只是它所引起的一种显著的极端结局。Zhang等人在诱导细胞产生染色体碎裂后,尚且无法使这些细胞稳定地生长,可能是因为细胞不会轻易地容忍其染色体完整性受到如此严重的干扰。然而只有使细胞稳定生长,才能够进一步了解染色体碎裂在肿瘤发生过程中的作用。当然,基因突变过程以及突变后的生存或生长抉择将会决定碎裂化染色体在肿瘤和遗传性疾病中的最终结构。

来自生命奥秘[1]/Science[2]

参考资料:

1. ^揭秘粉碎化的染色体;
2. ^Kloosterman W P. Making heads or tails of shattered chromosomes[J]. Science, 2015, 348(6240):1205-1206.
(来源:生命奥秘 Jun 17, 2015)



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