CUL4A抑制DNA双链断裂修复促进乳腺癌发生的作用及机制研究

Nonhomologous end-joining (NHEJ) repair of genomic DNA double-strand breaks (DSBs) is closely related to genomic instability, tumor genesis, development and chemo-radiotherapy sensitivity. Our previous study showed that E3 ubiquitin ligase CUL4A could inhibit the repair of DSB injury. Further investigation indicated that CUL4A could interact with DNA-PKcs, a core component of NHEJ machinery, through DTL, one of the substrate receptors of CUL4A E3 ligase complex, and degrade DNA-PKcs in an ubiquitin dependent proteasome pathway. Our preliminary data suggested that CUL4A can inhibit NHEJ repair of DNA DSB lesions and possibly increase the genomic DNA instability and the subsequent cancer susceptibility through regulating DNA-PKcs protein level. However, its exact function, underlying molecular mechanisms and the consequent biological and clinical significances in tumorigenesis need further investigation and validation. Therefore, this project intends to analyze the regulatory effect of CUL4A on DNA-PKcs, related molecular mechanism and the biological and clinical implications of CUL4A-DTL-DNA-PKcs pathway in tumorigenesis through DNA DSB damage model, molecular and cell biological techniques, transgenic and gene knockout mouse models and patients' samples. The successful implementation of this project will help to better understand the mechanistic roles of CUL4A in tumorigenesis and provide a theoretical basis for the prevention and intervention of tumorigenesis.

基因组DNA双链断裂（DSB）非同源性末端连接（NHEJ）修复与基因组稳定性、肿瘤发生及放化疗敏感性密切相关。我们前期研究发现E3泛素连接酶CUL4A具有抑制DSB损伤修复的作用，能通过其底物识别受体DTL结合并泛素化降解NHEJ核心组分DNA-PKcs，提示CUL4A通过DTL靶向降解DNA-PKcs抑制DSB损伤的NHEJ修复、增加基因组不稳定性，从而增加肿瘤易感性，但其在肿瘤发生中的确切分子机制及生物学意义尚需进一步明确与核实。为此，本项目拟通过细胞DNA损伤模型、相应的分子细胞生物学技术、转基因及基因敲除小鼠成瘤模型和临床标本分析CUL4A调控DNA-PKcs的作用和机理，明确CUL4A-DTL-DNA-PKcs通路抑制DSB损伤NHEJ修复的作用及其在肿瘤发生中的生物学和临床意义。本项目的顺利实施将有助于更好地理解CUL4A在肿瘤发生中的作用及机制，为肿瘤防治提供新的理论基础。

基因组稳定性对维持细胞的正常功能起着至关重要的作用。然而，基因组DNA分子非常容易受到各种因素的破坏。一旦DNA受到外界辐射、化疗药物或内在因素的损伤，就会启动高效、准确的DNA损伤反应，修复受损DNA，保证基因组完整性，从而防止恶性转化。DNA双链断裂(DSBs)是最有害的DNA损伤形式。NHEJ修复在启动DSB修复中具有主导和优先作用，因为它不受细胞周期的限制。为了响应DSBs，Ku70/80异源二聚体结合到DNA的裂解端，招募DNA-PKcs，然后在NHEJ修复系统中招募Artemis、XRCC4、Ligase IV和XRCC4样因子。其中DNA-PKcs作为NHEJ修复机制的核心成员，在维持基因组稳定性方面发挥着重要作用，并与p53合作诱导突变细胞凋亡，敲除DNA-PKcs在小鼠模型中显著增加了肿瘤易感性。因此，DNA-PKcs可能在诱导恶性转化和肿瘤发生中发挥重要作用。CUL4A蛋白属于E3泛素连接酶家族，在各种细胞功能中发挥关键作用。CUL4A过表达存在于多种类型的癌症中，如乳腺癌、肺癌，约占恶性病例总数的63%，且与患者预后呈负相关。CUL4A过表达已被证明通过多种机制促进肿瘤的发生和发展。我们前期研究表明CUL4A通过调控组蛋白H3K4甲基化修饰促进肿瘤发生和转移。此外，其他研究表明CUL4A通过组蛋白泛素化修饰和XPC、DDB2和p21的降解抑制紫外线诱导DNA损伤的核苷酸切除修复(NER)机制。最近有报道称CUL4A被招募到DNA DSB位点并参与HR修复，但在DSB修复中是否调控NHEJ修复过程尚不清楚。CUL4A通常通过其底物识别受体如DTL发挥其致癌功能。已有报道表明，DTL和CUL4A参与了UV诱导DNA损伤NER过程中p21、组蛋白H4、CDT1和XPG的调控。.然而，CUL4A是否与DTL共同调控NHEJ修复通路尚不清楚。在本研究中，我们提供了强有力的证据，证明CUL4A-DTL连接酶复合物通过DNA-PKcs的降解降低了NHEJ修复的效率，从而增加了基因组的不稳定性，进而影响正常细胞的恶性转化。通过本研究不仅可以明确CUL4A在正常细胞发生恶性转变过程中新的生物学功能，也可以为探索以CUL4A为靶点用于癌前诊断及治疗提供理论依据和潜在治疗方案。