生化所冀宏源副教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)多胺如同細(xì)胞DNA修補(bǔ)系統(tǒng)的蠻牛
發(fā)表於”Nature Communications”

國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)生化科學(xué)研究所冀宏源教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)自然存在的帶正電小分子多胺 (polyamines, 結(jié)構(gòu)如圖1a)，在DNA修復(fù)過(guò)程中扮演至關(guān)重要的角色，就猶如細(xì)胞的能量飲”蠻?！币话?，可促進(jìn)細(xì)胞的DNA修補(bǔ)系統(tǒng)，以應(yīng)付環(huán)境諸多可能對(duì)基因體所造成傷害。透過(guò)以毛囊的動(dòng)物模式、一連串精細(xì)的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、及生化學(xué)的研究方法，他們的研究證明，多胺專一性地促進(jìn)同源重組系統(tǒng)所催化的DNA雙股斷裂修復(fù) (圖1b)。值得注意的是，比起正常細(xì)胞，大部分的癌細(xì)胞常常帶有高量的多胺以幫助其存活，因此，他們的研究成果為癌癥治療的方向提供了新策略。這項(xiàng)研究結(jié)果已刊登於國(guó)際頂尖科學(xué)期刊Nature Communications。

當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的DNA遭受到外來(lái)物質(zhì)的攻擊，如致癌物、輻射線等，甚至是細(xì)胞在複製過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題，導(dǎo)致DNA產(chǎn)生雙股斷裂時(shí)，同源重組修復(fù)系統(tǒng)扮演著不可或缺的修補(bǔ)角色。同源重組修復(fù)系統(tǒng)是由RAD51重組酵素結(jié)合在DNA受損位置並組裝成核蛋白絲的結(jié)構(gòu) (RAD51 filament, 圖1c)，開(kāi)始在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行同源模板搜索 (homology search) 尋找?guī)в型葱蛄械碾p股DNA，並在搜尋成功的同源位置催化DNA的交換，以便後續(xù)作為修補(bǔ)模板及合成DNA來(lái)修復(fù)斷裂DNA序列，因此，同源重組修復(fù)系統(tǒng)對(duì)於維持細(xì)胞基因組完整性非常重要。然而，同源重組修復(fù)反應(yīng)仍有許多未知的課題值得科學(xué)家們研究，例如：RAD51重組酵素如何能夠在茫茫大海的基因組內(nèi)找到唯一的同源模板進(jìn)行修復(fù)？而在細(xì)胞內(nèi)有哪些分子可影響同源模板搜尋的效率，更是在學(xué)界中未解的關(guān)鍵問(wèn)題。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次提供了多胺專一性促進(jìn)同源重組 (homologous recombination; HR) 修復(fù)系統(tǒng)的證據(jù)，而非其他的DNA修復(fù)途徑，如：非同源DNA末端連接 (non-homologous end joining; NHEJ) 和單股DNA連結(jié)反應(yīng)的修復(fù)系統(tǒng) (single-strand annealing; SSA) (圖1b)。機(jī)制上，多胺透過(guò)增強(qiáng)RAD51酵素在同源模板搜索過(guò)程中的雙股DNA結(jié)合能力，達(dá)到顯著刺激RAD51的DNA股交換活性以利後續(xù)修復(fù)受損的DNA (圖1c)。

第一作者，李致瑩博士提出了三種可能的分子機(jī)轉(zhuǎn)來(lái)解釋多胺如何刺激RAD51酵素所催化的同源模板搜尋 (圖1d)。首先，多胺可以吸引RAD51核蛋白絲和雙股DNA碰撞 (圖1d，插入框i)，就像磁鐵一般幫助DNA斷裂位置更快在細(xì)胞核內(nèi)找尋修補(bǔ)模板。其次，多胺利用穩(wěn)定單股DNA (ssDNA) 與同源的雙股DNA (dsDNA) 模板之間的配對(duì) (圖1d，插入框ii)，讓RAD51酵素檢查是否有尋找到正確的模板可以往下進(jìn)行複製及修復(fù)。最後，細(xì)胞核內(nèi)龐大的基因組就好比散亂的毛線，多胺小分子可以利用聚集雙股DNA的方式，好比集線器來(lái)將毛線聚集，使得RAD51核蛋白絲可以一次同時(shí)在多個(gè)區(qū)域中尋找同源性DNA (圖1d，插入框iii)，而不用跑遍整個(gè)細(xì)胞核，可以更有效率地進(jìn)行同源模板搜尋。李博士說(shuō) ： 「多胺就好比細(xì)胞的蠻牛，幫助DNA修補(bǔ)系統(tǒng)維持活力旺盛?！?/p>

此基礎(chǔ)研究也有重要的臨床治療意義，由於癌細(xì)胞和正常細(xì)胞相較，帶有過(guò)量的多胺，因此預(yù)期癌細(xì)胞的DNA修復(fù)活性也會(huì)升高，使得癌細(xì)胞更難被殺死。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，小分子藥物二氟甲基鳥(niǎo)氨酸 (DFMO) 可顯著降低細(xì)胞內(nèi)的多胺含量，導(dǎo)致DNA修補(bǔ)系統(tǒng)活性降低。令人興奮的是，他們的團(tuán)隊(duì)也證明二氟甲基鳥(niǎo)氨酸可搭配放射線治療，或是搭配美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA) 所核準(zhǔn)的藥物奧拉帕尼 (olaparib)，皆可有效抑制癌細(xì)胞存活。值得注意的是，二氟甲基鳥(niǎo)氨酸藥物正在進(jìn)行神經(jīng)母細(xì)胞瘤的二期臨床試驗(yàn)，且結(jié)果有顯著的治療效用。 「因此，我們的研究發(fā)現(xiàn)提供癌癥治療新的想法及治療策略，來(lái)迫使癌細(xì)胞的DNA修補(bǔ)能力下降，以達(dá)到殺死癌細(xì)胞的目的。」冀宏源教授這麼說(shuō)。

論文全文現(xiàn)已發(fā)表在Nature Communications，由李致瑩博士、蘇綸勤博士、黃文彥博士、柯旻佑、葉欣怡博士、張震東教授、林頌然教授及冀宏源教授等共同完成。也特別感謝臺(tái)大、中研院、以及科技部對(duì)此研究的支持。