TIRR识别53BP1的分子基础及其在DSB损伤修复中的作用机制研究

DSBs（DNA Double Strand Breaks）is the most harmful DNA damage form in eukaryotic cells. Two mechanistically distinct pathways: non-homologous end-joining (NHEJ) and homologous recombination (HR) are involved in DSB repair and genome stability maintenance. 53BP1 plays a central role in orchestrating the choice of DSB repair pathway, which promotes NHEJ-mediated DSB repair. Central to 53BP1 function is its recruitment to damaged chromatin via recognition of di-methylated lysine 20 of histone H4 (H4K20me2) by 53BP1 tandem Tudor domain. TIRR, a novel 53BP1 regulator which directly interacts with 53BP1 Tudor domain and masks the binding of H4K20me2, controls the chromatin accumulation of 53BP1. TIRR interacts with the N-terminal region of 53BP1 and plays an extra role in DSB repair process. We characterized TIRR/53BP1 complex and determined the high-resolution structure of TIRR/53BP1 Tudor complex. Here, adopting a combination of structural, biophysical, biochemical and cellular approaches, we would address the functional roles of TIRR/53BP1 interaction and reveal the mechanism of TIRR/53BP1-mediated DSB repair pathway. The knowledge we gain in this study is critical to understanding the mechanism of TIRR/53BP1-dependent DNA repair and shed a light on the discovery of novel 53BP1 inhibitor with therapeutic potential in cancer treatment.

DNA双链断裂（DNA Double-strand Breaks, DSBs）是细胞中最严重的DNA损伤。真核细胞主要通过非同源末端连接和同源重组两种修复方式修复DSBs损伤确保基因组稳定。DSBs损伤修复通路中的重要调控因子53BP1通过其Tudor结构域识别核小体组蛋白H4K20me2并将53BP1招募到染色质。TIRR是目前发现的唯一的53BP1上游调控因子，TIRR通过结合53BP1Tudor结构域抑制其识别H4K20me2，并通过与53BP1的N端区域作用进一步调控53BP1的功能。我们测定了TIRR/53BP1Tudor复合物的高精度结构，在此基础上将进一步研究TIRR/53BP1 N端区域复合物的结构并通过生化、生物物理、细胞生物学等方法揭示TIRR与53BP1相互作用的分子基础及在DNA损伤修复中的作用机制。本研究对于阐明DSBs损伤修复机制和设计新型肿瘤药物具有重要意义。

细胞对DNA双链断裂（DNA Double-strand Breaks, DSB）修复途径的正确选择是维持基因组稳定的关键，非同源末端连接和同源重组是真核细胞修复DSB的两种主要途径。53BP1和BARD1是DSB损伤修复途径选择的重要调控因子。一方面，53BP1的Tudor结构域识别组蛋白H4第20位赖氨酸甲基化修饰（H4K20me2），而TIRR破坏53BP1和H4K20me2的结合。另一方面，BARD1可以识别S/G2期的非甲基化修饰H4K20（H4K20me0）并破坏53BP1的结合，从而确保细胞通过同源重组方式修复DSB。本项目对TIRR和BARD1调控DSB损伤修复途径的分子机制开展了研究，通过解析TIRR/53BP1复合物的高精度结构，揭示了TIRR调控DSB损伤修复的分子机制。通过阐明BARD1识别H4K20me0以及H2A第15位赖氨酸上的泛素（H2AK15Ub）双标记的结构基础，阐明了BARD1促进同源重组的分子机制。本研究对于阐明DNA损伤修复机制、肿瘤相关突变的致病机理、以及抗肿瘤药物的设计和研发具有重要意义。