减数分裂蛋白SYCP2通过R环介导的DNA修复赋予DNA损伤剂抗性

Meiotic protein SYCP2 confers resistance to DNA-damaging agents through R-loop-mediated DNA repair.

作者信息Yumin Wang, Boya Gao, Luyuan Zhang, Xudong Wang, Xiaolan Zhu, Haibo Yang, Fengqi Zhang, Xueping Zhu, Badi Zhou, Sean Yao, Aiko Nagayama, Sanghoon Lee, Jian Ouyang, Siang-Boon Koh, Eric L Eisenhauer, Dominique Zarrella, Kate Lu, Bo R Rueda, Lee Zou, Xiaofeng A Su, Oladapo Yeku, Leif W Ellisen, Xiao-Song Wang, Li Lan
PMID38383600
发布时间2024-02-21
DOI10.1038/s41467-024-45693-2

实验完整度

高

包含细胞系、动物移植瘤模型和患者组织样本,并有HR报告基因、R环形成、蛋白结合等机制验证和体内药效验证。

主要模型

U2OS骨肉瘤细胞系 HeLa宫颈癌细胞系 MDA-MB-231三阴性乳腺癌细胞系 BALB/c裸鼠MDA-MB-231腹腔移植瘤模型

重点核对

SYCP2敲低或过表达对DR-GFP和LMNA-HR报告基因HR效率的影响 电离辐射后γ-H2AX和RAD51免疫荧光焦点动力学 DART实验中TA-KR诱导损伤位点SYCP2、RAD51和R环(S9.6)的招募 MST和EMSA检测SYCP2-M1与DNA-RNA杂交体的结合亲和力 MDA-MB-231移植瘤模型中50 mg/kg奥拉帕利隔天腹腔注射共8次、第23天检测肿瘤体积

摘要

靶向DNA损伤反应(DDR)的药物广泛用于癌症治疗,但对这些药物的耐药性仍然是主要的临床挑战。在这里,我们表明SYCP2,一种联会复合体中的减数分裂蛋白,在乳腺癌和卵巢癌中异常且普遍表达,并与对DDR药物的广泛耐药性相关。机制上,SYCP2通过转录偶联的同源重组(TC-HR)增强DNA双链断裂(DSB)的修复。SYCP2促进DSB处R环的形成,并独立于BRCA1促进RAD51的招募。SYCP2缺失会损害RAD51定位,减少TC-HR,并使肿瘤对PARP和拓扑异构酶I(TOP1)抑制剂敏感。此外,我们对两个临床队列的研究发现,SYCP2过表达与乳腺癌对抗体偶联的TOP1抑制剂耐药以及卵巢癌对铂类治疗耐药相关。总之,我们的数据表明,SYCP2通过刺激R环介导的DSB修复赋予癌细胞对DNA损伤剂的抗性,为改善DDR治疗提供了机会。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
减数分裂蛋白SYCP2在乳腺癌和卵巢癌中异常表达的机制及其是否以及如何赋予癌细胞对DNA损伤反应(DDR)药物的抗性。
核心机制
SYCP2通过其M1结构域中的KR富集基序结合DNA-RNA杂交体并促进R环形成,进而以不依赖BRCA1的方式促进RAD51在DSB处的招募和转录偶联同源重组(TC-HR),从而增强DSB修复并导致DDR药物抗性。
主要证据
利用DR-GFP和LMNA-HR报告基因显示SYCP2敲低降低、过表达增强HR;DART实验显示SYCP2以转录依赖方式招募至损伤位点并促进RAD51和R环积累;MST和EMSA证实SYCP2-M1与DNA-RNA杂交体结合;SYCP2敲低使肿瘤对PARP抑制剂和TOP1抑制剂敏感;两个临床队列显示SYCP2高表达与乳腺癌对Sacituzumab Govitecan和卵巢癌对铂类耐药相关。
研究意义
提示SYCP2可作为预测DDR药物反应的生物标志物和潜在治疗靶点,为改善DDR治疗提供了机会。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

生物信息学筛选与临床样本验证SYCP2异常表达

筛选与DDR药物敏感性相关且在癌症中上调的基因,并验证SYCP2在乳腺癌和卵巢癌中的表达。

分析CCLE和GDSC数据库中49株乳腺癌细胞系的基因表达与DDR药物IC50相关性,筛选出152个正相关基因,进一步结合TCGA等数据库比较肿瘤与正常组织表达;用IHC和RT-qPCR检测乳腺癌和卵巢癌患者组织及癌旁组织中SYCP2蛋白和mRNA水平;分析SYCP2启动子附近DNA甲基化与表达的相关性。

2

SYCP2表达与DDR药物敏感性的相关性分析

评估SYCP2表达水平与多种DDR药物IC50的相关性,并比较其他通路药物。

在乳腺癌和卵巢癌细胞系中分析SYCP2表达与Cisplatin、CPT11以及Olaparib、Rucaparib、Talazoparib的IC50相关性;扩展分析248种抗癌药物,比较DDR药物与其他通路药物与SYCP2表达的相关性。

3

SYCP2对DSB修复和HR效率的功能验证

检验SYCP2是否参与DSB修复及同源重组。

在HeLa、U2OS和乳腺癌细胞中用siRNA敲低SYCP2,通过集落形成实验检测对Olaparib和Cisplatin的敏感性;电离辐射后定量γ-H2AX和RAD51焦点;利用DR-GFP报告基因检测HR效率,并用EJ5-GFP、EJ2-GFP和SSA-GFP报告基因检测NHEJ、alt-NHEJ和SSA;用AID-DlvA报告系统检测DNA末端切除。

4

SYCP2在转录偶联HR和R环形成中的作用验证

确定SYCP2是否以转录依赖方式促进HR和R环积累。

使用Tet-DR-GFP报告系统比较转录开启和关闭状态下的HR效率;用DART实验将KillerRed靶向转录活跃或不活跃的基因组位点,检测SYCP2、RAD51和S9.6(R环)焦点;用I-SCEI诱导转录区DSB检测SYCP2招募;用RNA聚合酶II抑制剂或RNase H1处理验证R环依赖性。

5

SYCP2结构域和KR基序的机制解析

定位SYCP2中介导损伤招募、R环结合和HR功能的关键区域及氨基酸残基。

构建SYCP2截短体M1(492–1035 aa)、M2(1035–1364 aa)和ΔM1(Δ492–1035 aa),在DART实验和LMNA-HR报告基因中检测其招募和促HR能力;纯化SYCP2-M1蛋白,用MST和EMSA检测其与DNA-RNA杂交体、dsDNA和ssRNA的结合;用体外R-loop形成实验检测SYCP2-M1促R环形成能力;构建KR-to-A突变体(2KR、5KR、11KR)验证关键KR残基。

6

SYCP2不依赖BRCA1的功能验证

检验SYCP2促进RAD51招募和DDR药物抗性是否依赖BRCA1。

分析BRCA突变或BRCA1/2表达高低不同的细胞系中SYCP2表达与DDR药物IC50的相关性;在BRCA1缺陷的HCC1937和HCC1954细胞中敲低或过表达SYCP2并检测RAD51焦点;在HeLa细胞中联合敲低BRCA1和SYCP2,检测对CPT11、Cisplatin和PARPi的敏感性。

7

SYCP2体内功能和临床相关性验证

验证SYCP2敲低对PARPi体内疗效的影响,以及SYCP2表达与患者DDR药物反应和预后的关系。

将LV-siSYCP2或LV-siCtrl感染的MDA-MB-231细胞腹腔注射到BALB/c裸鼠,给予50 mg/kg奥拉帕利或生理盐水,测量肿瘤体积;对16例接受Sacituzumab Govitecan治疗的乳腺癌患者和28例接受铂类化疗的卵巢高级别浆液性癌患者组织进行SYCP2 IHC,分析SYCP2高低与治疗反应和生存的关系。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Dulbecco改良Eagle培养基Lonza12-604 F
罗斯威尔公园纪念研究所1640培养基SigmaR8758
胎牛血清XY Cell CultureFBS-500
Lipofectamine 2000转染试剂Invitrogen11668019
Lipofectamine RNAiMax转染试剂Invitrogen13778150
顺铂Sigma1134357
奥拉帕利SelleckchemS1060
盐酸伊立替康SigmaI1406
Olympus FV1000共聚焦显微镜系统OlympusF10PRDMYR-1
35毫米玻璃底培养皿MatTekP35GC-1.5-14-C
FuGENE 6转染试剂PromegaE2691
Monolith His标签标记试剂盒--MO-L018
SYCP2抗体InvitrogenPA5-66486
RAD51抗体Abcamab63801
γH2AX抗体EMD Millipore05-636
BRCA1抗体Santa Cruz Biotechnologysc-6954
Cyclin A抗体Santa Cruz Biotechnologysc27162
CtIP抗体Active Motif61142
RPA抗体Cell Signaling Technology2267
磷酸化RPA抗体BethylA300-246A
α-9.6抗体KerafastENH001
GFP抗体Roche11814460001
SYCP2抗体LifeSpan BioSciencesLS-C386874
BRCA2抗体Abcamab9143
β-肌动蛋白抗体Cell Signaling Technology3700
化学发光HRP底物AbcamWBKLS0500
SYCP2抗体InvitrogenPA5-67554
Ki-67抗体Santa Cruz Biotechnologysc-23900

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞系与培养
细胞系来源(ATCC)、培养基类型(DMEM或RPMI 1640)、FBS浓度(10%或15%)、培养温度37°C和5% CO2
阅读提示:Methods中Cell culture, plasmids, siRNAs, and chemicals小节
SYCP2敲低和过表达
siRNA序列(siSYCP2、siSYCP2#2)、siRNA转染试剂和转染后检测时间(48–72 h)、过表达质粒构建和转染方法
阅读提示:Methods中Cell culture, plasmids, siRNAs, and chemicals小节
药物敏感性和集落形成实验
细胞接种密度(约400细胞/6 cm皿)、药物浓度和处理时间(9天)、重复次数(3次)
阅读提示:Methods中Colony-forming assay小节及图2A、图6F
HR报告基因实验
DR-GFP、EJ5-GFP、EJ2-GFP、SSA-GFP报告基因质粒转染条件、I-SceI转染量(5 μg)、多西环素浓度(1 μg/ml)和检测时间(72 h)
阅读提示:Methods中tetR-DR-GFP-Assay for measuring TC-HR和Supplementary Methods
DART实验
KillerRed光照激活时间(20分钟或25分钟)、恢复时间(30分钟至1小时)、TA-KR和tetR-KR质粒转染条件
阅读提示:Methods中DART assay小节
MST和EMSA结合实验
SYCP2-M1蛋白浓度(MST为10 nM,EMSA为5.3–12.4 μM)、核酸底物浓度(MST为0.1–0.5 μM,EMSA为0.1 μM)、缓冲液组成
阅读提示:Methods中Microscale thermophoresis assay和Electrophoretic mobility shift assay小节
动物实验
MDA-MB-231细胞接种量(6.0×10^5/只)、小鼠品系(BALB/c裸鼠)、分组(n=6/组)、奥拉帕利剂量(50 mg/kg)和给药方案(隔天腹腔注射,共8次)、实验终点(第23天)
阅读提示:Methods中Xenograft study小节及图7A
临床样本分析
乳腺癌队列(n=16)和卵巢癌队列(n=28)的样本来源、IHC评分标准(0–4分类,SYCP2低为0–1,高为3–4)、治疗反应分类(PR、SD或铂敏感/耐药)
阅读提示:Methods中Immunohistochemistry (IHC) of patients’ tissues小节及图7B、7C