华中农业大学研究团队发现植物DNA损伤修复新机制

DNA是遗传信息的载体，它的准确复制和传递是生物的生存基础。但是，很多外源因素（如紫外线、电离辐射等）和内源因素（如活性氧、复制错误等）会导致DNA损伤。如果这些损伤不能被修复，就会影响复制、转录等最基本的生物学过程，进而影响生物的生长发育和物种繁衍。目前，DNA损伤应答机制研究是最基础的生物学问题之一。

 

DNA双链断裂（DSB）被认为是最严重的DNA损伤类型。生物主要通过两种途径修复DSB，即非同源末端连接（NHEJ）和同源重组（HR）。NHEJ 修复途径是一个相对快速但容易出错的过程，而HR修复途径是一种相对缓慢但精准的修复途径。

 

DSB修复是利用CRISPR等技术进行基因编辑的基础之一。依赖NHEJ通路可以实现基因敲除，依赖同源重组通路可以实现基因敲入。目前，基因编辑技术的主要瓶颈之一是基因敲入效率低，不能满足基础研究和生物育种的需求。其中，最重要的原因之一是植物的同源重组效率很低。因此，人们迫切希望通过提高同源重组效率来提高基因敲入的效率。

 

染色体结构维持复合体SMC5/6在真核生物中高度保守，是同源重组修复必需的，但其调控同源重组修复的机制还有待进一步研究。PAF1复合体在真核生物中也高度保守，其主要功能是调控基因的转录。此前，PAF1复合体是否参与DNA损伤修复还是未解之谜。

 

2023年2月23日，我校生命科学技术学院、湖北洪山实验室严顺平教授团队在国际期刊EMBO Journal发表了题为“The SMC5/6 complex recruits the PAF1 complex to facilitate DNA double-strand break repair in Arabidopsis”的研究论文。该论文发现 SMC5/6复合体通过招募PAF1复合体介导DSB位点组蛋白H2B的单泛素化，从而促进同源重组修复。这不仅揭示了SMC5/6调控DNA损伤修复的新机制，而且发现了PAF1C具有转录调控之外的新功能——DNA损伤修复，为利用同源重组修复机制提高基因打靶效率提供了新基因资源。

 

在这项研究中，研究者利用正向遗传学手段筛选拟南芥DNA损伤应答突变体，发现ddrm4突变体对DSB诱导试剂非常敏感。DDRM4编码PAF1复合体的核心亚基PAF1。通过生物化学、细胞生物学、遗传学等手段，研究者发现SMC5/6复合体招募PAF1复合体到DSB位点，PAF1复合体进一步招募E2泛素结合酶UBC1/2和E3泛素连接酶HUB1/2介导DSB位点组蛋白H2B的单泛素化，从而促进同源重组修复。

 

复合体招募PAF1复合体促进DNA损伤修复

 

SMC5/6复合体招募PAF1复合体促进DNA损伤修复

 

严顺平课题组的博士研究生李寸良和郭毓瑜为该论文的共同第一作者，严顺平教授为通讯作者，王利利研究员也参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金、华中农业大学-中国农业科学院深圳农业基因组研究所合作基金的资助。

 

值得一提的是，这是该团队最近发现的第三个调控同源重组修复的DDRM蛋白。在之前的研究中，该团队发现了两个植物特异的调控蛋白DDRM1和DDRM2。作为E3泛素连接酶，DDRM1单泛素化转录因子SOG1，提高SOG1的蛋白稳定性；SOG1促进DDRM2的转录；DDRM2促进同源重组酶RAD51结合到DSB位点，从而完成同源重组修复。

 

据悉，严顺平教授于2014年回国后开始研究植物DNA损伤应答机制，取得了系统性的研究成果，团队不仅阐明了细胞周期检查点关键调控蛋白WEE1的作用机制，率先在植物中揭示了动物和植物都保守的细胞周期检查点激活机制；还发现了2个植物特异的DNA损伤修复蛋白，揭示了植物精准调控DNA损伤修复的机制；并阐明了染色体结构维持复合体SMC5/6协同调控细胞周期检查点激活和DNA损伤修复的机制。这些成果大大加深并扩展了人们对DNA损伤应答机制的认识。

 

【英文摘要】

 

DNA double-strand breaks (DSBs) are one of the most toxic forms of DNA damage, which threatens genome stability. Homologous recombination is an error-free DSB repair pathway, in which the evolutionarily conserved SMC5/6 complex (SMC5/6) plays essential roles. The PAF1 complex (PAF1C) is well known to regulate transcription. Here we show that SMC5/6 recruits PAF1C to facilitate DSB repair in plants. In a genetic screen for DNA damage response mutants (DDRMs), we found that the Arabidopsis ddrm4 mutant is hypersensitive to DSB-inducing agents and is defective in homologous recombination. DDRM4 encodes PAF1, a core subunit of PAF1C. Further biochemical and genetic studies reveal that SMC5/6 recruits PAF1C to DSB sites, where PAF1C further recruits the E2 ubiquitin-conjugating enzymes UBC1/2, which interact with the E3 ubiquitin ligases HUB1/2 to mediate the monoubiquitination of histone H2B at DSBs. These results implicate SMC5/6-PAF1C-UBC1/2-HUB1/2 as a new axis for DSB repair through homologous recombination, revealing a new mechanism of SMC5/6 and uncovering a novel function of PAF1C.