DNA复制与染色体分离是细胞周期中的两个核心事件。在正常细胞中，这两个过程受到精密调控，且在时间上严格分离，彼此互不兼容。然而，在癌基因激活、DNA损伤药物暴露或核苷酸耗竭等因素所引起的复制应激（replication stress）下[1-3]，始于S期的复制紊乱会持续到有丝分裂期，并导致有害后果，如微核（micronuclei）和染色体桥（chromosome bridges）的形成。这些事件经常伴随着复制叉崩塌（replication fork collapse）、DNA双链断裂（DSBs, DNA double-strand breaks）、有丝分裂期DNA修复合成（MiDAS, mitotic DNA repair synthesis），以及染色体重排事件如chromothripsis和kataegis等现象[4-6]。然而，复制应激除引起基因组非稳定性外，是否会引起其它细胞功能障碍仍然未知。

近日，深圳湾实验室邓麟团队在Nature Communications杂志发表了题为“Mitotic DNA repair by TMEJ suppresses replication stress-induced nuclear envelope reassembly defect”的文章，首次报道复制应激在有丝分裂期引发核膜重组缺陷（NERD，nuclear envelope reassembly defect）的现象。该研究揭示了NERD与有丝分裂期DNA损伤密切相关，并发现DNA聚合酶POLQ介导的TMEJ（Pol theta-mediated end joining）修复通路可特异性地修复有丝分裂期的DSBs，从而抑制NERD的发生。这一成果首次建立了复制应激条件下细胞核膜动态变化和基因组不稳定性之间的联系。

本研究中，团队建立了多种复制应激模型，如化学药物Aphidicolin（DNA聚合酶抑制剂）和Pyridostatin（G4稳定剂）处理以及HRas-G12V遗传模型等，并采用GFP-BAF，cGAS-mNeonGreen，RFP-NLS和内源性BAF等多种核膜完整性的报告系统，深入研究复制应激对核膜完整性的影响。通过免疫荧光、活细胞延时成像、透射电镜等技术，发现复制应激引起BAF和cGAS在核膜上形成点状聚集体（foci），细胞核内RFP-NLS外泄到细胞质，从而提示细胞核膜缺陷（nuclear defect）。传统观点认为，复制应激主要引起DNA损伤，并扰乱基因组稳定性。而本研究发现，复制应激还会导致核膜缺陷。重要的是，这种缺陷并非由于核膜的直接损伤引起，而是由于有丝分裂末期（telophase）的核膜重新组装的缺陷（NERD）所致。在时间尺度和机制层面，潜在地解释了近期国外研究发现慢性低剂量DNA损伤导致核膜破损的现象[7]。

课题组前期利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）体外DNA复制系统，首次重建了有丝分裂早熟过程，发现TMEJ通路促进有丝分裂期的DSB修复4。本研究进一步探索有丝分裂期的DNA损伤修复通路，特别是TMEJ和MUS81-POLD3 [8, 9]通路，是否调控NERD。值得一提的是，经典的DSB修复通路如同源重组（HR，homologous recombination）和非同源末端连接（NHEJ，non-homologous end joining）在有丝分裂期处于非激活状态[10]。通过系统性的筛选，研究团队发现POLQ敲降或者敲除后，细胞在复制应激过程中NERD水平显著升高。而MUS81或者POLD3的敲降对NERD影响有限。

在细胞核内，染色质DNA会与细胞核骨架特别是核纤层蛋白Lamin A/C和Lamin B1相互作用，形成核纤层相关结构域（LADs，lamina associated domains）。利用CUT&Tag技术，研究团队发现复制应激会导致LADs数目的减少。重要的是，他们鉴定出一类对复制应激敏感的LADs，将其命名为RESSLADs（replication stress-sensitive LADs）。进一步研究发现，NERD位点的Lamin A/C的22号丝氨酸（Ser22）在复制应激下处于持续磷酸化状态，导致染色质DNA与Lamin 蛋白的相互作用减弱[11]，解释了RESSLADs的减少的潜在原因。最后，研究团队发现，在许多合成致死条件下，如Aphidicolin + ATR抑制剂，BRCA2 KO + POLQ抑制剂ART558或PAPR抑制剂Olaparib，细胞均会发生明显的NERD。因此，NERD以及核膜脆性（nuclear fragility）可能作为一种广泛存在的现象存在于各种基因组非稳定性事件中。

综上所述，这些发现不仅深化了我们对核膜在复制应激条件下动态变化过程的理解，更为针对癌症和其它基因组非稳定相关疾病中核膜脆性的治疗策略开辟了新途径。

文章第一作者为深圳湾实验室-首都医科大学联培博士生叶国浚、深圳湾实验室副研究员何意得博士，通讯作者为邓麟研究员。清华大学-深圳医学科学院联培博士生张艺慧、华中科技大学博士生李冬晨在本研究前期做出了重要贡献。深圳湾实验室研究员孙坤博士、张浩岳博士、彭琴博士和华中科技大学季维克教授为本项目提供了大力支持。本研究得到国家自然科学基金委、深圳市医学研究专项资金原创探索项目、科技部重点研发计划、广东省特支计划、深圳湾实验室概念验证基金、深圳湾实验室启动经费、深圳倍捷锐（BJR）燎原计划等项目支持。

深圳湾实验室邓麟课题组聚焦细胞周期与基因组非稳定性机制研究，探寻全新靶点并开发疾病治疗新技术、新药物。常年招收生物化学、细胞生物学、药学相关专业博士研究生、博士后、助理研究员等。欢迎感兴趣的优秀青年联系denglin@szbl.ac.cn，课题组网站www.deng-lab.org。

参考文献

1. Macheret M, Halazonetis TD. DNA replication stress as a hallmark of cancer.Annu Rev Pathol10, 425-448 (2015).

2. Techer H, Koundrioukoff S, Nicolas A, Debatisse M. The impact of replication stress on replication dynamics and DNA damage in vertebrate cells.Nat Rev Genet18, 535-550 (2017).

3. Cortez D. Preventing replication fork collapse to maintain genome integrity.DNA Repair (Amst)32, 149-157 (2015).

4. Deng L, et al. Mitotic CDK Promotes Replisome Disassembly, Fork Breakage, and Complex DNA Rearrangements.Mol Cell73, 915-929 e916 (2019).

5. Maciejowski J, Li Y, Bosco N, Campbell Peter J, de Lange T. Chromothripsis and Kataegis Induced by Telomere Crisis.Cell163, 1641-1654 (2015).

6. Zhang C-Z, et al. Chromothripsis from DNA damage in micronuclei.Nature522, 179-184 (2015).

7. Kovacs MT, et al. DNA damage induces nuclear envelope rupture through ATR-mediated phosphorylation of lamin A/C.Molecular Cell83, 3659-3668.e3610 (2023).

8. Minocherhomji S, et al. Replication stress activates DNA repair synthesis in mitosis.Nature528, 286-290 (2015).

9. Bhowmick R, Minocherhomji S, Hickson ID. RAD52 Facilitates Mitotic DNA Synthesis Following Replication Stress.Mol Cell64, 1117-1126 (2016).

10. Hustedt N, Durocher D. The control of DNA repair by the cell cycle.Nat Cell Biol19, 1-9 (2016).

11. Heald R, McKeon F. Mutations of phosphorylation sites in lamin A that prevent nuclear lamina disassembly in mitosis.Cell61, 579-589 (1990).

原文信息：

Mitotic DNA repair by TMEJ suppresses replication stress-induced nuclear envelope reassembly defect

文章来源|邓麟课题组

编辑|鲍 鲍

责编|远 山

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