蒋颖/高绍荣/徐晓军/毛志勇合作发现杜鹃素靶向激活UCHL3促进DNA修复提高体细胞核移植重编程效率

体细胞核移植技术（SCNT）广泛应用于自体干细胞、基因编辑小鼠制备等方面。与诱导多能干细胞技术（iPS）不同，SCNT技术能制造胚胎并提供胚胎发育阶段全过程的样本，为研究细胞重编程过程提供便利。但目前SCNT技术得到的胚胎存活率较低，很大程度上限制了其应用前景。目前许多研究表明，重编程中存在多种表观遗传障碍，使得体细胞重编程不完全，这可能是核移植胚胎发育存活率较低的主要原因【8】。高绍荣教授课题组前期发现通过抑制异常的DNA再甲基化（Cell Stem Cell, 2018）以及通过Dux介导的异常H3K9ac的改善（Cell Stem Cell, 2021）能够一定程度提高SCNT胚胎存活率，但仍有较大提升空间，这提示我们SCNT胚胎发育可能存在其他阻碍。有研究认为，在SCNT重编程过程中，供体细胞的核基因组由于需要从体细胞状态快速过渡至早期胚胎状态，这一过程伴随着巨大的DNA损伤压力【2，9】。因此，开发新的方法通过激活DNA修复以对抗SCNT过程中积累的DNA损伤，可能是提高核移植胚胎发育率、出生率的有效方法。

近日，Nature Communications杂志在线发表了同济大学附属第一妇婴保健院、生命科学与技术学院蒋颖、高绍荣（中国细胞生物学学会副理事长）、毛志勇及中国药科大学徐晓军教授合作团队的论文Farrerol directly activates the deubiqutinase UCHL3 to promote DNA repair and reprogramming when mediated by somatic cell nuclear transfer，此研究发现杜鹃素与UCHL3直接结合并激活其去泛素化酶活从而促进同源重组修复，通过恢复表观遗传网络进而促进体细胞核移植胚胎发育效率。

毛志勇和高绍荣教授合作课题组在前期研究中（eLife, 2020）发现：小分子化合物杜鹃素能够促进损伤位点处RAD51的招募，并有效促进HR修复效率。但这项研究中并未找到杜鹃素影响RAD51招募和促进HR修复的靶点，以及其参与调控的具体机制。

本研究中，研究人员基于LiP-SMap和表面等离子共振（SPR）实验初步鉴定出UCHL3是杜鹃素的潜在靶点蛋白，并揭示杜鹃素与UCHL3之间具有较强的亲和力。进一步地，细胞热力学实验（CETSA）和共结晶实验表明，UCHL3蛋白中的K187和R215位点对与两者之间的结合至关重要。体外和体内功能性实验证明，杜鹃素能直接激活UCHL3的去泛素化酶活，并在不影响UCHL3与底物RAD51结合的前提下降低RAD51的泛素化水平，增强HR修复。

同时，研究团队发现，与体外受精（IVF）相比，SCNT来源的胚胎表现出染色体非整倍体的概率增加、HR修复缺陷及基因组不稳定性增加。杜鹃素处理能促进SCNT胚胎的HR修复，促进了染色体核型的正常率，并提高了核移植胚胎发育效率。进一步发现杜鹃素处理可提高SCNT胚胎的着床率和小鼠的出生率。进一步的研究表明，杜鹃素的处理除了促进同源重组修复和改善SCNT胚胎受损的转录水平，同时也影响了染色质的开放性，表明杜鹃素影响DNA修复事件并不是孤立的，主要表现在杜鹃素处理促进以H3K27me3为代表的这种组蛋白修饰的富集。

综上所述，本研究发现了杜鹃素通过直接结合并激活靶点蛋白UCHL3的去泛素化酶活调控同源重组修复的分子机制，同时揭示了在SCNT过程中的同源重组修复缺陷及基因组不稳定，杜鹃素以依赖于UCHL3的方式恢复表观遗传网络调控，在培养基中短暂添加杜鹃素可促进体细胞核移植效率，从而建立了高可行性的新方法。

同济大学附属第一妇婴保健院及同济大学生命科学与技术学院张伟娜博士、王明珠博士以及博士研究生宋治伟、博士研究生傅乾正为该论文的共同第一作者，蒋颖副教授、高绍荣教授、徐晓军教授以及毛志勇教授为该论文的共同通讯作者。

1. White RR, Vijg J. Do DNA Double-Strand Breaks Drive Aging? Molecular cell 63, 729-738 (2016).

2. Chia G, et al. Genomic instability during reprogramming by nuclear transfer is DNA replication dependent. Nature cell biology 19, 282-291 (2017).

3. Jeggo PA, Pearl LH, Carr AM. DNA repair, genome stability and cancer: a historical perspective. Nature reviews Cancer 16, 35-42 (2016).

4. Bohrer RC, Dicks N, Gutierrez K, Duggavathi R, Bordignon V. Double-strand DNA breaks are mainly repaired by the homologous recombination pathway in early developing swine embryos. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology 32, 1818-1829 (2018).

5. Gonzalez F, et al. Homologous recombination DNA repair genes play a critical role in reprogramming to a pluripotent state. Cell reports 3, 651-660 (2013).

6. Nguyen L, J WMM, Van Hoeck A, Cuppen E. Pan-cancer landscape of homologous recombination deficiency. Nature communications 11, 5584 (2020).

7. Chen Y, et al. Fight to the bitter end: DNA repair and aging. Ageing research reviews 64, 101154 (2020).

8. rapid derepression of heterochromatin in mouse embryonic stem cells. DNA Res 22, 307-318 (2015).

9. Gouveia C, Huyser C, Egli D, Pepper MS. Lessons Learned from Somatic Cell Nuclear Transfer. International journal of molecular sciences 21,  (2020).