2022年3月15日，美國科學(xué)院院刊PNAS在線發(fā)表浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物研究所特聘研究員張珂為第一作者的研究論文Global genomic instability caused by reduced expression of DNA polymerase ε in yeast。該研究揭示了DNA聚合酶epsion表達(dá)限制誘導(dǎo)的全局性基因組不穩(wěn)定規(guī)律和遺傳機(jī)制。

真核生物基因組的復(fù)制至少需要三種核心DNA聚合酶Polα、Polε和Polδ協(xié)同作用，一般認(rèn)為Polε和Polδ分別負(fù)責(zé)前導(dǎo)鏈和滯后鏈的合成。當(dāng)染色體上存在損傷位點(diǎn)時(shí)，細(xì)胞可借助多種易錯(cuò)DNA聚合酶進(jìn)行跨損傷合成。張珂博士前期工作借助雜合二倍體酵母的高豐度SNP標(biāo)記和高通量測序建立了一種允許在全基因組水平上高分辨率分析基因組穩(wěn)定性的技術(shù)體系和分析流程（Zheng et al, PNAS, 2016），并闡明了酵母細(xì)胞在自發(fā)條件下的基因組變異和進(jìn)化規(guī)律（Sui et al, PNAS, 2020）。在此基礎(chǔ)上，這項(xiàng)研究通過啟動子替換下調(diào)了Polε的表達(dá)水平對酵母細(xì)胞施加復(fù)制壓力，首次在全基因組水平揭示了Polε功能缺陷誘導(dǎo)的全局性基因組不穩(wěn)定模式。發(fā)現(xiàn)Polε和Polδ兩種聚合酶表達(dá)下調(diào)使有絲分裂重組率均提高一個(gè)數(shù)量級以上，但誘導(dǎo)的重組熱點(diǎn)不同；Polε功能缺陷顯著縮短染色體端粒并誘發(fā)末端雜合性丟失事件；細(xì)胞在DNA復(fù)制壓力下傾向于減少rDNA基因拷貝數(shù)，可能是細(xì)胞適應(yīng)DNA復(fù)制壓力的策略之一；C到G或G到C的突變率在Polα、Polε和Polδ三種聚合酶表達(dá)限制時(shí)均顯著提高，是由易錯(cuò)DNA聚合酶Polζ在復(fù)制壓力下更多被招募到復(fù)制叉所致。

同時(shí)，張博士實(shí)驗(yàn)室還發(fā)現(xiàn)Polζ在抗腫瘤藥物博來霉素誘導(dǎo)基因組T堿基缺失或T到G特征性突變中發(fā)揮主要作用。闡明了這種突變模式是由于博來霉素在5'-GT-3'基序處引起T位點(diǎn)的堿基氧化，形成了無堿基AP位點(diǎn)；易錯(cuò)DNA聚合酶Rev1傾向于在AP位點(diǎn)對面加入堿基C再由Polζ進(jìn)行延伸合成，進(jìn)而造成T到G的突變或經(jīng)過一個(gè)堿基的滑步使T缺失。Rev1和Polζ催化亞基缺失的酵母細(xì)胞對博來霉素表現(xiàn)出敏感性進(jìn)一步支持了該模型。這些發(fā)現(xiàn)打破了以往普遍認(rèn)為博來霉素誘導(dǎo)單堿基缺失是由于非同源末端連接NHEJ途徑引起的觀念。這項(xiàng)工作發(fā)表在美國微生物學(xué)會刊物Applied Environmental Microbiology。

上述工作進(jìn)一步明確了不同DNA聚合酶在維持基因組穩(wěn)定性中的功能分工，在基因組特征性變異模式形成機(jī)制上提出了新見解。研究工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金資助，浙江大學(xué)吳雪昌教授、鄭道瓊教授、美國杜克大學(xué)的Thomas D. Petes教授和隋陽博士后是本研究共同完成者。（來源：浙江大學(xué)）