CDK12控制著DNA修復基因的RNA轉錄本長短

2020-12-05 健康一線視頻網

基因BRCA1和BRCA2發生突變對乳腺癌和卵巢癌構成嚴重風險，這是因為它們通過幹擾同源重組修復（HR）來危害細胞的基因組穩定性，其中同源重組修復是一種準確地修復有害的DNA雙鏈斷裂的關鍵機制。如果沒有利用這種機制修復DNA雙鏈斷裂的能力，那麼細胞就不得不採用更容易出錯因而更容易發生癌變的DNA修複方式。

基因BRCA1和BRCA2不是唯一的當發生突變時會導致無法利用同源重組修復DNA雙鏈斷裂而促進腫瘤發生的基因。已知22個基因發生的突變會破壞同源重組修復，從而產生具有「BRCAness」表型的腫瘤。已知在這22個BRCAness基因中，除了其中的一個基因之外的所有其他的BRCAness基因都直接參與同源重組修復通路。

這個例外的基因是CDK12，它被認為是促進一系列不同的過程，涉及RNA轉錄本如何被延長、剪接和切割成它們的成熟形式。儘管人們對這個RNA調節基因與DNA修復之間存在的關聯性仍然知之甚少，但是鑑定出CDK12是一個BRCAness基因引起了極大的臨床興趣。

一個酶包圍著DNA雙螺旋來修復發生斷裂的DNA鏈，圖片來自Tom Ellenberger/Washington University School of Medicine in St. Louis, Dave Gohara/Saint Louis University School of Medicine。

在一項新的研究中，美國麻省理工學院的Phillip Sharp、Sara Dubbury和Paul Boutz描述了他們如何發現一種先前未知的機制，通過該機制，CDK12能夠產生全長RNA轉錄物，而且這種機制對於維持其他的BRCAness基因的功能性表達尤其重要。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為「CDK12 regulates DNA repair genes by suppressing intronic polyadenylation」。

當這些研究人員敲除CDK12時，小鼠胚胎幹細胞顯示出許多DNA損傷累積的跡象，這些DNA損傷會阻止DNA複製的進行，這是BRCAness表型的典型特徵。為了確定CDK12在調節基因表達中可能發揮的作用，他們通過RNA測序來確定哪些基因的總體表達會增加或減少。當著重關注轉錄的RNA類型時，他們發現當CDK12缺失時，許多基因產生異常短的轉錄本。

並非基因中的每個DNA片段都會進入最終的RNA轉錄本中。一個基因的初始RNA轉錄本通常包含稱為內含子的DNA片段，這些內含子會從RNA轉錄本中切除，從而將多個外顯子拼接在一起而形成最終的成熟轉錄本，即mRNA。或者，內含子多腺苷酸化（intronic polyadenylation, IPA）位點經激活後切割位於這個位點之後的RNA序列，從而阻止內含子移除並產生過早縮短的RNA轉錄本。這些過程允許同一個基因產生不同的mRNA形式，因而經翻譯後產生不同的蛋白序列。

令人吃驚的是，CDK12基因被敲除的細胞在全基因組中產生顯著更多的IPA截短轉錄本，而且全長的RNA轉錄本的水平降低了。這些縮短的mRNA在穩定性、翻譯成蛋白的能力以及它們的蛋白功能方面差異很大。因此，即便一個基因發生活躍轉錄，IPA激活也能夠從根本上改變或減少它經翻譯後產生的功能性蛋白。

雖然這一觀察結果開始闡明了CDK12在調節mRNA加工中的作用，但仍然不清楚的是為什麼CDK12缺失如此不成比例地影響同源重組修復途徑。在研究這個問題時，Dubbury和Boutz發現在CDK12缺失後IPA活性增加的那些基因中，BRCAness基因作為一個整體被過度代表了。雖然CDK12在全基因組中抑制IPA活性，但是在剩下的21個BRCAness基因中，13個基因被發現特別容易受到CDK12缺失的影響，這部分上是因為它們具有多個高敏感性的IPA位點，因而具有降低全長RNA轉錄本總量的加和效應。此外，鑑於多個CDK12敏感性的BRCAness基因在相同的同源重組修復途徑中起作用，這些研究人員認為CDK12缺失會加大破壞對雙鏈DNA斷裂的同源重組修復。

CDK12突變在前列腺癌和卵巢癌患者中反覆出現，這使得它成為癌症的一種有吸引力的診斷和治療靶標。然而，對CDK12的了解還不足以區分真正的功能喪失突變和所謂的不影響功能的「乘客突變（passenger mutation）」。

Dubbury和Boutz能夠通過使用來自攜帶著CDK12突變的前列腺腫瘤患者和卵巢腫瘤患者的RNA測序數據，以及通過使用一種CDK12抑制劑處理人前列腺腺癌細胞和卵巢癌細胞，證實關鍵性的BRCAness基因中的IPA位點也被頻繁地使用。

這一結果表明在小鼠細胞系中觀察到的CDK12機制在人類中是保守的，而且人卵巢腫瘤和前列腺腫瘤中的CDK12突變可能通過增加IPA活性促進腫瘤發生，從而功能性地減弱同源重組修復。

Dubbury說，「這些結果不僅讓我們更好地了解CDK12如何導致BRCAness表型，而且它們也可能在臨床上產生令人興奮的潛在影響。當前的診斷技術可用來檢測這項研究中發現的IPA位點的使用情況，以便快速地篩查攜帶著真正功能喪失的CDK12突變的患者，這樣這些患者將會對BRCAness靶向治療產生反應。」

總之，這些研究人員取得的關於CDK12抑制內含子多聚腺苷酸化的發現對基因結構和癌症控制提供全新的認識。

參考資料：

Sara J. Dubbury et al. CDK12 regulates DNA repair genes by suppressing intronic polyadenylation, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0758-y.

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