多能干细胞保持高保真DNA复制和修复的新机制
多能干细胞具有发育的全能性，可在体外分化为各类组织和细胞，颇具应用前景：可作为再生医学中的重要种子细胞，可在药物研究中筛选临床治疗药物，还可在体外模拟发育的过程。由于发育地位特殊，多能干细胞基因组具高度稳态（如小鼠胚胎干细胞的基因组变异率仅为胚胎成纤维细胞的1/100）。然而，多能干细胞在体外长期大量扩增培养、持续的DNA复制及特殊的细胞周期往往导致基因组变异，破坏其分化潜能，并产生致瘤风险，成为多能干细胞广泛应用特别是走向临床应用的瓶颈。研究多能干细胞维持基因组稳态的特殊机制，有助于解决长期大量扩增培养产生的基因组变异难题。
DNA复制是细胞基因组不稳定的主要原因。在遭遇DNA复制障碍时，停顿的DNA复制叉不稳定，易发生坍塌，形成DNA双链断裂。DNA双链断裂（DSB）是严重的DNA损伤形式。错误的DSB的修复，将导致细胞死亡或癌变。为避免复制叉坍塌，细胞可利用低保真的DNA聚合酶REV1直接进行跨损伤DNA合成（Translesion DNA synthesis，TLS）。若细胞遭遇DSB，细胞主要通过三种方式修复DNA——非同源末端连接（nonhomologous end joining，NHEJ）、同源重组修复（homologous recombination，HR）和微同源末端连接修复（microhomology-mediated end-joining，MMEJ）。其中，MMEJ修复途径保真度最差、突变率最高，由Polq基因编码的Polθ介导。面临复制压力的胚胎干细胞如何避免低保真的DNA复制和修复方式，维持极高的基因组稳态，其中的机制尚不清楚。
近期，中国科学院昆明动物研究所研究员郑萍团队发现，在小鼠胚胎干细胞中，较多经典的DNA损伤反应基因具有 “隐藏外显子”（cryptic exon）插入事件。“隐藏外显子”的插入导致mRNA翻译提前终止，破坏蛋白翻译和功能。研究聚焦于参与TLS途径的Rev1基因和参与MMEJ途径的Polq基因。二者在小鼠胚胎干细胞中存在高比例的“隐藏外显子”插入，使得小鼠胚胎干细胞中正常的REV1和POLθ蛋白表达显著降低，从而抑制TLS和MMEJ途径。为找到调节二者的剪接因子，研究体外合成了Rev1的“隐藏外显子”，利用体外RNA-pulldown鉴定了Rev1“隐藏外显子”的结合蛋白DPPA5A（小鼠胚胎干细胞特异表达蛋白）。在小鼠胚胎干细胞中，敲低Dppa5a可减弱Rev1和Polq的“隐藏外显子”插入频率，增强TLS和MMEJ途径的活性，抑制同源重组修复。Dppa5a敲低细胞表现出基因组不稳定的表型，包括非整倍体的细胞增加、染色体发生黏连、易于在体内形成畸胎瘤等。与之相反，在体细胞中过表达Dppa5a表现出相反的表型。机制研究表明，DPPA5A直接结合到Rev1“隐藏外显子”的GA富集区，与剪接复合体中的U2相互作用，促进Rev1的“隐藏外显子”插入。上述研究揭示了多能干细胞保持高保真DNA复制和修复的新机制。
7月17日，相关研究成果以DPPA5A suppresses the mutagenic TLS and MMEJ pathways by modulating the cryptic splicing of Rev1 and Polq in mouse embryonic stem cells为题，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和云南省基础研究计划的支持。
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项目成果
