癌細胞線粒體DNA漂移的分子機理

07-26

長久以來公認DNA聚合酶不能僅以核苷酸底物從頭合成DNA，必須要在一段特定長度的DNA或RNA引物末端開始聚合DNA。而來自華中科技大學，哈佛大學，日本地球海洋科技局的研究人員近期發現了自然界已知的第一個不需要引物的DNA聚合酶，這不僅在聚合酶進化研究中有重要意義，而且還蘊藏了在核酸合成和測序技術中的應用價值。

Keshav K. Singh博士

通過對57例結腸癌患者的基因組進行基因分析，研究人員發現患者體細胞核內的平均線粒體DNA數量比健康人高4.42倍。「這表明，遷移到核基因組中的線粒體DNA可能對癌症的發展起重要作用，」本文的共同作者，來自UAB公共衛生學院的生物統計學教授Hemant K. Tiwari博士和UAB醫學院遺傳學教授Keshav K. Singh博士說道。

幾乎所有高等真核細胞中都存在著大量的線粒體，它們是細胞的能量泵，晝夜不停地製造細胞燃料ATP。人類基因組位於細胞核內。線粒體位於細胞質內，但是它仍然自主擁有37個基因。

過了億萬年，線粒體的DNA片段已經自然地插入真核基因組。例如人類生殖細胞約含有755-1155個線粒體DNA插入，這些線粒體DNA已經被代代相傳。從人類生殖細胞中的這些線粒體片段我們可以發現，它們的物種來源極為廣泛，不僅可以看到我們人類自己的DNA，也能找到植物、酵母、瘧疾、寄生蟲、線蟲等其他物種的DNA。

除了線粒體DNA外，整個線粒體（包括線粒體蛋白、線粒體RNA等）都能在細胞核基因組中找到相應的序列。有關體細胞（非生殖細胞）線粒體基因對人類健康和疾病的影響和作用仍處於待開發狀態。來自UAB的研究小組發現腫瘤細胞基因組內線粒體DNA含量升高，說明癌症發展過程中，存在體細胞細胞質的線粒體DNA向細胞核內插入的情況。諾獎得主《PNAS》公布最新測序技術：重新定義DNA修復

女性結腸癌患者基因組中線粒體DNA平均拷貝數明顯高於男性患者。預示著線粒體DNA的增加或導致較低的存活率。有關這點推斷，科學家們表示接下來將接受來自更大樣本量檢測的驗證。

體細胞線粒體DNA插入似乎與基因組內片段的富集相關，研究人員繪製了一幅線粒體基因組向細胞核基因組內遷移的生物多樣性熱點（hotspots）圖，試圖尋找線粒體DNA遷移的分子切入點。

切入點——酵母有研究報道酵母YME1能夠強烈抑制線粒體DNA向酵母基因組中遷移。人類YME1L1基因與釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）基因中的YME1同源。根據之前的報道，由於線粒體由分別來自細胞核基因組的2000種蛋白質和來自線粒體基因組的13種蛋白質組成，YME1L1基因產物主要負責協調和保護線粒體裝配順利進行。人類YME1L1基因是否具有相同作用？答案是未知。

作為間接證據，UAB的研究人員發現，在57個結腸癌基因組中，16%的基因組DNA出現YME1L1基因突變。通過分析來自癌症基因組地圖資料庫（Cancer Genome Atlas database）的大量數據，發現結腸癌患者以及其他癌症患者基因組中的YME1L1突變異常增多。

於是，UAB研究小組使用人類細胞系作為研究模型，敲除了YME1L1基因，結果導致細胞核提取液中線粒體DNA明顯增多。這一報道首次證實了人類YME1L1能夠抑制線粒體DNA插入細胞核，YME1L1的活性喪失加速了線粒體DNA向細胞核內遷移。

接下來，研究人員在酵母線粒體DNA中插入了一種蛋白質標記，該種蛋白只能在細胞核內進行轉錄。酵母YME1突變後，蛋白質標記物的表達升高了20倍。使用人類YME1L1對突變型YME1進行補回實驗，實驗結果顯示人類YME1L1基因能夠阻止酵母線粒體DNA向細胞核的遷移。

研究人員將線粒體DNA的這種遷移作用命名為numtogenesis（線粒體遺傳漂移）。

Singh實驗室和亞利桑那州立大學植物病理學系Bernd Friebe實驗室在另外一篇雜誌（Analytical Biochemistry）上報道了一種快速檢測和分析numtogenesis的分子工具。

目前numtogenesis的檢測仍依賴於「深度測序」和「全基因組計算機分析」的綜合技術手段，耗時、繁瑣、且成本高昂。本篇文章的通訊作者Singh和第一作者Dal-Hoe Koo（堪薩斯州立大學）開發了一種單分子線粒體纖維-FISH技術（single-molecule mitochondrial Fiber-FISH technique）。熒光原位雜交（fluorescence in situ hybridization，FISH）是一種以熒游標記原位雜交方法。他們最新的改良FISH提供了更高解析度的基因和染色質區域的單纖維DNA的測量，並且，它以1000bp的解析度定位對線粒體DNA探針。

「這項新技術將有助於區分和檢測癌症的分期和進程，有助於闡明腫瘤發生的基本機制，還有助於癌症早期診斷、篩查和風險評估。」

原文標題

Migration of mitochondrial DNA in the nuclear genome of colorectal adenocarcinoma