NSMB：深圳大学朱卫国团队发现DNA损伤修复的调控新机制

染色质松弛是DNA修复机制进入双链断裂(DSBs)的先决条件。然后，DSBs周围的局部组蛋白发生乙酰化状态的迅速变化，但如何满足乙酰辅酶A的大量需求尚不清楚。

2023年9月21日，深圳大学朱卫国团队在Nature Structural & Molecular Biology 在线发表题为“PARylated PDHE1α generates acetyl-CoA for local chromatin acetylation and DNA damage repair”的研究论文，该研究报道了丙酮酸脱氢酶1α (PDHE1α)催化丙酮酸代谢，能够在DNA损伤反应中迅速提供乙酰辅酶A。

该研究发现PDHE1α以多ADP-核糖基化依赖的方式快速募集到染色质上，这驱动乙酰辅酶A的生成，以支持DSBs周围的局部染色质乙酰化。这一过程增加了松弛染色质的形成，以促进修复因子负载、基因组稳定性和癌细胞对体外和体内DNA损伤治疗的抵抗力。事实上，研究证明阻断基于聚-ADP-核糖基化的PDHE1α染色质募集会减弱染色质松弛和DSB修复效率，导致基因组不稳定和恢复放射敏感性。这些发现支持染色质相关的PDHE1α局部产生乙酰辅酶A的机制，以重塑DSBs附近的染色质环境并促进其修复。

准确修复受损DNA是维持正常细胞功能的基础。在由各种因素引起的多种形式的DNA损伤中，DSBs被认为是最致命的一种。为了维持DSB后基因组的稳定性，两种基因上可分离的DSB修复途径可以随之而来：同源重组(HR)和经典非同源末端连接(NHEJ)。这两种修复途径对于DNA损伤反应(DDR)系统和维持基因组稳定性都是不可或缺的。

染色质结构对DDR的影响最初是在“通路-修复-恢复”模型中描述的。“进入”步骤是一个早期事件，通常发生在DNA损伤后的几秒到几分钟内，因此被认为是创造可进入的染色质结构必不可少的。在最初的DSB修复步骤中，有三种广泛的基于染色质的事件：通过核心组蛋白的乙酰化在DSB周围形成开放的染色质结构；染色质在DNA的缩合异染色质区域中弛豫；以及染色质的快速聚ADP-核糖基化（PARylization）以促进染色质重塑因子负载。在这些事件中，染色质乙酰化是通过中和赖氨酸残基上的正电荷介导高效和有效的DNA修复的通路过程中不可或缺的一部分。这一过程通过允许修复机制进入DSBs进一步提高DNA损伤修复效率。尽管染色质乙酰化在响应DNA损伤产生可接近的染色质中起着至关重要的作用，但这些事件和乙酰供体在这种短暂时期产生的调节机制尚不清楚。

乙酰化修饰对乙酰基供体acetyl-CoA的可用性敏感。在哺乳动物细胞中，有三种不同但相互作用的途径有助于乙酰辅酶A的生物合成。在这些途径中，ATP-柠檬酸裂解酶(ACLY)利用柠檬酸，乙酰辅酶A合成酶(ACSS)利用乙酸作为资源生成乙酰辅酶A。然而，PDHE1α使用葡萄糖衍生的丙酮酸，这是哺乳动物细胞中非常丰富的必需“燃料”。由于乙酰基通过高能硫酯键与辅酶A基团相连，这决定了乙酰基辅酶A的不稳定性和弱膜渗透性，因此它被认为是在亚细胞区室内时空合成的。利用遗传方法影响线粒体功能障碍，从而进一步降低细胞中线粒体柠檬酸水平，研究人员发现，乙酰辅酶A和赖氨酸乙酰化蛋白的丰度在细胞核外急剧下降，但核蛋白乙酰化没有明显变化，这表明存在额外的、线粒体独立的乙酰化供体用于蛋白质乙酰化。

PDHE1α在DDR中作用的工作模式（图源自Nature Structural & Molecular Biology）

代谢酶的核积累代表了“兼职功能”，允许细胞在内源性和外源性应激条件下与核蛋白和DNA进行通信。先前的研究表明，控制乙酰辅酶A生成的酶存在于细胞核中：ACSS2可以转运到细胞核中调节自噬或细胞衰老。同样，当细胞遭受DNA损伤时，ACLY分布到细胞核，促进H4K16乙酰化并调节DSB修复。丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase complex, PDC)也被发现通过调节H3赖氨酸9乙酰化在癌细胞的发生和发展过程中发挥关键作用。虽然乙酰辅酶A生成酶的核驻留表明乙酰辅酶A生成在细胞核中起重要作用，但似乎不同的酶对不同类型的刺激可能敏感和反应。因此，精确调节这些酶的时空功能及其合作和补偿能力对于确保乙酰辅酶A在正确的时间和地点产生以响应不同的刺激至关重要。

PARylation是最常见的翻译后修饰之一。该事件由ADP-核糖基转移酶催化，在染色质重组和DDR中具有重要的生物学作用。在DNA损伤的反应中，PARP1被激活，与其底物形成聚(ADP-核糖)(PAR)聚合物链，这是DSB修复因子募集的先决条件，有利于癌症治疗。然而，围绕这一过程仍有许多未知因素，包括参与染色质调控的下游PARylation靶点及其调控机制。

总之，关于乙酰辅酶A代谢时空调控的研究结果揭示了染色质相关的PDHE1α在促进DDR和维持基因组完整性方面的意想不到的作用，这表明PDHE1α在癌症放疗/化疗的临床研究中具有相关性。该发现为进一步研究局部代谢物在表观遗传调控中的作用以及PDHE1α-靶向治疗的发展提供了动力，以调节癌症代谢，最重要的是，破坏癌细胞抵抗基因毒性损伤的关键机制。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-023-01107-3