Nature子刊│同济大学蒋颖/高绍荣/毛志勇等合作发现提高体细胞核移植效率的潜在新方法

Farrerol是一种天然黄烷酮，可促进同源重组（HR）修复以提高基因组编辑效率，但Farrerol直接靶向调节HR修复的特定蛋白质及其潜在的分子机制尚未确定。

2023年4月3日，同济大学蒋颖、高绍荣、毛志勇及中国药科大学徐晓军共同通讯在Nature Communications 发表题为“Farrerol directly activates the deubiqutinase UCHL3 to promote DNA repair and reprogramming when mediated by somatic cell nuclear transfer”的研究论文，该研究发现去泛素酶UCHL3是Farrerol的直接靶标。在机制上，Farrerol增强了UCHL3的去泛素酶活性，促进RAD51去泛素化，从而改善HR修复。

重要的是，该研究发现体细胞核移植（SCNT）的胚胎表现出HR修复缺陷，基因组不稳定性和非整倍性增加，核移植后的Farrerol治疗增强了HR修复，恢复了转录和表观遗传网络，并促进了SCNT胚胎发育。消融UCHL3显著减弱了HR和SCNT胚胎发育中Farrerol介导的刺激。综上所述，该研究将farrerol确定为去泛素酶UCHL3的激活剂，强调了HR和表观遗传变化在SCNT重编程中的重要性，并为提高SCNT效率提供了可行的方法。

有效的DNA修复保留了细胞中的遗传信息。因此，DNA修复在各种生物过程中起着基本和关键的作用，例如早期胚胎发育，衰老，肿瘤发生和细胞重编程。在这些过程中，细胞分裂是必须的，同源重组（HR）修复途径尤为重要，因为该途径负责修复S/G2期的DNA双链断裂（DSBs）；此外，HR通路的缺陷可能导致胚胎致死，早衰，肿瘤发生发生率增加和细胞重编程缺陷。因此，靶向直接调节HR途径的修复因子可能是提高基因组稳定性和优化这些过程的好方法。

体细胞核移植（SCNT）是一种特征明确的技术，可帮助体细胞重新捕获全能性，并且重新编程的全能性细胞可以进一步产生活的个体。由于SCNT产生囊胚和可存活后代的效率仍然很低，在识别关键分子因子以提高SCNT效率方面做出了巨大努力。为了完成SCNT介导的重编程，供体细胞核基因组必须在1-2个细胞周期内从体细胞状态快速过渡到早期胚胎状态，以实现合子基因组激活（ZGA）和进一步发展。因此，在SCNT重编程过程中，供体细胞的核基因组承受着巨大的压力，极易受到DNA损伤的影响。开发激活DNA修复以抵消SCNT期间累积的DNA损伤的新方法可能会提高SCNT胚胎的发育潜力。

HR修复缺陷破坏基因组稳定性，导致胚胎发育受损。许多E3连接酶和去泛素酶通过改变关键的HR因子参与HR修复的调节。去泛素酶UCHL3是泛素羧基末端水解酶（UCH）家族的成员，在小鼠受精和植入前发育中起重要作用。响应DNA损伤，UCHL3被ATM磷酸化和激活，激活的UCHL3通过去泛素化RAD51来正调控HR，促进BRCA2-RAD51相互作用。此外，UCHL3将TDP1去泛素化并稳定以促进TOP1诱导的单链断裂的修复，UCHL3还去泛素化KU80以促进KU80在DNA损伤位点的保留，从而通过非同源末端连接（NHEJ）改善DNA修复。

除了DNA修复因子外，UCHL3还靶向许多调节其他信号通路的蛋白质。在各种类型的人类癌症中，UCHL3被过度表达，因此一些研究试图确定UCHL3的抑制剂以开发潜在的癌症疗法。此外，鉴于UCHL3在上调HR方面的功能，这对于维持正常体细胞和干细胞的基因组完整性至关重要，鉴定UCHL3的激活因子可能会提高细胞重编程的效率和重编程细胞的质量。

Farrerol是一种从杜鹃花中提取的天然黄烷酮，可促进HR修复，从而提高CRISPR-Cas9介导的基因组靶向的效率。除了在HR中的功能外，farrerol还具有其他药理活性。此外，Farrerol可能治疗动脉粥样硬化和癌症，并预防细菌感染。Farrerol增强了DNA损伤位点的RAD51募集，但尚未发现farrerol促进RAD51募集和促进HR的靶标。

该研究使用LiP-小分子图谱（LiP-SMap）和表面等离子体共振（SPR）测定，鉴定UCHL3是Farrerol的直接靶蛋白，数据揭示了Farrerol对UCHL3（Kd= 36.73 nM）的强亲和力。进一步的共结晶实验、SPR 分析和细胞热移测定（CETSA）表明，UCHL3 蛋白中的 K187 和 R215 残基对于 Farrerol-UCHL3 缔合至关重要。体外和体内功能实验表明，Farrerol促进UCHL3的催化活性，从而降低RAD51的泛素化水平并增强HR修复。

Farrerol通过UCHL3提高了SCNT效率（图源自Nature Communications ）

综上所述，研究进一步证明，通过Farrerol改善HR修复有利于SCNT介导的细胞重编程，并且Farrerol改善SCNT胚胎受损的转录组并有助于适当的谱系规范。此外，该研究发现Farrerol可以以UCHL3依赖性的方式促进SCNT胚胎在体外和体内的发育潜力，从而为提高SCNT效率提供了一种简单可行的方法。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37576-9

转自：“iNature”微信公众号

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