多能干細胞保持高保真DNA復制和修復的新機制

　　多能干細胞具有發育的全能性，可在體外分化為各類組織和細胞，頗具應用前景：可作為再生醫學中的重要種子細胞，可在藥物研究中篩選臨床治療藥物，還可在體外模擬發育的過程。由于發育地位特殊，多能干細胞基因組具高度穩態（如小鼠胚胎干細胞的基因組變異率僅為胚胎成纖維細胞的1/100）。然而，多能干細胞在體外長期大量擴增培養、持續的DNA復制及特殊的細胞周期往往導致基因組變異，破壞其分化潛能，并產生致瘤風險，成為多能干細胞廣泛應用特別是走向臨床應用的瓶頸。研究多能干細胞維持基因組穩態的特殊機制，有助于解決長期大量擴增培養產生的基因組變異難題。

　　DNA復制是細胞基因組不穩定的主要原因。在遭遇DNA復制障礙時，停頓的DNA復制叉不穩定，易發生坍塌，形成DNA雙鏈斷裂。DNA雙鏈斷裂（DSB）是嚴重的DNA損傷形式。錯誤的DSB的修復，將導致細胞死亡或癌變。為避免復制叉坍塌，細胞可利用低保真的DNA聚合酶REV1直接進行跨損傷DNA合成（Translesion DNA synthesis，TLS）。若細胞遭遇DSB，細胞主要通過三種方式修復DNA——非同源末端連接（nonhomologous end joining，NHEJ）、同源重組修復（homologous recombination，HR）和微同源末端連接修復（microhomology-mediated end-joining，MMEJ）。其中，MMEJ修復途徑保真度最差、突變率最高，由Polq基因編碼的Polθ介導。面臨復制壓力的胚胎干細胞如何避免低保真的DNA復制和修復方式，維持極高的基因組穩態，其中的機制尚不清楚。

　　近期，中國科學院昆明動物研究所研究員鄭萍團隊發現，在小鼠胚胎干細胞中，較多經典的DNA損傷反應基因具有 “隱藏外顯子”（cryptic exon）插入事件。“隱藏外顯子”的插入導致mRNA翻譯提前終止，破壞蛋白翻譯和功能。研究聚焦于參與TLS途徑的Rev1基因和參與MMEJ途徑的Polq基因。二者在小鼠胚胎干細胞中存在高比例的“隱藏外顯子”插入，使得小鼠胚胎干細胞中正常的REV1和POLθ蛋白表達顯著降低，從而抑制TLS和MMEJ途徑。為找到調節二者的剪接因子，研究體外合成了Rev1的“隱藏外顯子”，利用體外RNA-pulldown鑒定了Rev1“隱藏外顯子”的結合蛋白DPPA5A（小鼠胚胎干細胞特異表達蛋白）。在小鼠胚胎干細胞中，敲低Dppa5a可減弱Rev1和Polq的“隱藏外顯子”插入頻率，增強TLS和MMEJ途徑的活性，抑制同源重組修復。Dppa5a敲低細胞表現出基因組不穩定的表型，包括非整倍體的細胞增加、染色體發生黏連、易于在體內形成畸胎瘤等。與之相反，在體細胞中過表達Dppa5a表現出相反的表型。機制研究表明，DPPA5A直接結合到Rev1“隱藏外顯子”的GA富集區，與剪接復合體中的U2相互作用，促進Rev1的“隱藏外顯子”插入。上述研究揭示了多能干細胞保持高保真DNA復制和修復的新機制。

　　7月17日，相關研究成果以DPPA5A suppresses the mutagenic TLS and MMEJ pathways by modulating the cryptic splicing of Rev1 and Polq in mouse embryonic stem cells為題，發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和云南省基礎研究計劃的支持。