R-loops at the telomere as a toxic source of genomic instability
端粒上的 R 环是基因组不稳定的毒源
基本信息
- 批准号:10569542
- 负责人:
- 金额:$ 33.72万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-05-01 至 2025-01-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:8-hydroxyguanosineAccelerationAffinityAgingAntibodiesBindingBiological AssayCellsChromatin LoopChromosomal RearrangementCisplatinCollaborationsComplexCryoelectron MicroscopyDNADNA DamageDNA SequenceEducational workshopElectronsExposure toFormaldehydeFrequenciesFundingG-QuartetsGenerationsGenesGenetic RecombinationGenetic TranscriptionGenomic InstabilityGenomicsHandHela CellsHumanHybridsImmunoprecipitationLaboratoriesLeadLeftLesionLinkLocationMalignant NeoplasmsMapsMeasuresMetabolismMethodsMethyltransferaseMicroscopicMutagenesisMutateNucleic AcidsOxygenPeer ReviewPhenotypePlasmidsPlayPoisonPreparationProteinsPublicationsRNARadiationResolutionResolvaseRoleSamplingSingle-Stranded DNASiteSmall Interfering RNASourceStructureSystemTechnologyTelomeraseTestingTrainingTranscriptional RegulationUnited States National Institutes of HealthVisualizationWorkcrosslinkin vivoinstrumentationnoveloxidative damageparticleprotein complexribonuclease H1telomeretool
项目摘要
PROJECT SUMMARY
Damage to telomeres resulting from radiation or exposure to toxic chemicals can lead to cancer and accelerated
aging. Damage may also result from normal metabolism including generation of formaldehyde or transcription
when RNA is left behind embedded in the DNA in the form of R-loops. Extensive studies of genomic R-loops
have shown them to play both positive roles in regulation of transcription and harmful roles leading to DNA
breakage, mutagenesis and cancer. Telomeric R-loops (tel-R-loops) may possibly be the single greatest source
of DNA damage at telomeres. Tel-R-loops occur in normal human cells, but are more abundant in cells
expressing the ALT cancer phenotype and cells mutated in DNA methylases that produce high levels of
telomeric RNA (TERRA). Elevated levels of tel-R-loops have been linked to telomere damage, shortening and
high recombination leading to cancer. Radiation, toxic agents such as cisplatin, formaldehyde, and exposure to
oxidative damage are also likely to generate higher levels of tel-R-loops. We demonstrated that telomeres are
arranged in large loops (t-loops) and recently made a paradigm-shifting discovery linking t-loop formation to
telomere transcription which generates TERRA and produces tel-R-loops which we propose are key to t-loop
formation. Thus, tel-R-loops are both toxic and necessary for forming protective t-loops. Tel-R-loops are more
stable than normal R-loops due to G-quartet formation. The extensive studies of genomic and tel-R-loops have
all relied on a single assay employing the S9.6 antibody to DNA/RNA hybrids (DRIP assay). While having driven
the field, this IP assay does not discriminate between one or many R-loops on a DNA fragment, or provide
information on the clustering of the R-loops, or their size. For tel-R-loops, the IP assay does not reveal whether
there are R-loops within the looped portion of the t-loop or their distribution from the sub-telomeric regions to the
telomere terminus. For the field to progress, such critical information must be obtained. This can now be done
using direct electron microscopic (EM) visualization using methods we have verified and in hand.
In the proposed work we will carry out a high resolution study of the large (120-240 nt) particles formed by
single stranded G-rich telomeric DNA and TERRA RNA. This is critical for understanding the structure of tel-R-
loops and will be done by cryoEM. To determine the frequency, location, size and clustering of tel-R-loops we
will apply a novel affinity isolation for telomeric DNA, combined with our battery of EM tools. This will be done
using cultured HeLa and human ALT cancer lines and extended to cells treated with toxic chemicals including
cisplatin and formaldehyde to introduce crosslinks in the DNA. A novel chemoptogenomic approach for placing
ROS generated 8-oxoG lesions specifically at the telomere in cells will be applied in a collaboration and the
effect on tel-R-loops determined. The t-loop junction may have important functional roles and this will be
explored using assays to detect telomere extension following cleavage of the t-loop junction by HJ resolvases.
项目概要
辐射或接触有毒化学物质造成的端粒损伤可能导致癌症并加速癌症的发生
老化。正常代谢也可能造成损害,包括甲醛的产生或转录
当 RNA 以 R 环的形式嵌入 DNA 中时。基因组 R 环的广泛研究
已表明它们在转录调节中发挥积极作用,也发挥导致 DNA 的有害作用
断裂、突变和癌症。端粒 R 环(tel-R 环)可能是唯一最大的来源
端粒 DNA 损伤。 Tel-R-loops 存在于正常人类细胞中,但在细胞中更为丰富
表达 ALT 癌症表型和 DNA 甲基化酶突变的细胞产生高水平
端粒RNA(TERRA)。 tel-R-loops 水平升高与端粒损伤、缩短和
高重组导致癌症。辐射、有毒物质(例如顺铂、甲醛)以及接触
氧化损伤也可能产生更高水平的tel-R-loops。我们证明端粒是
排列成大环(t 环),最近做出了一个范式转变的发现,将 t 环形成与
端粒转录产生 TERRA 并产生 tel-R 环,我们认为这是 t 环的关键
形成。因此,tel-R-环既有毒又是形成保护性t环所必需的。 Tel-R-loops更多
由于 G 四联体的形成,比正常的 R 环稳定。对基因组和 tel-R-loops 的广泛研究已经
所有这些都依赖于使用 DNA/RNA 杂交体 S9.6 抗体的单一测定(DRIP 测定)。开车时
在现场,该 IP 测定不会区分 DNA 片段上的一个或多个 R 环,也不提供
有关 R 环聚类或其大小的信息。对于 tel-R-loops,IP 分析并未揭示是否
在t环的环部分内有R环或者它们从亚端粒区域到端粒的分布
端粒末端。为了使该领域取得进展,必须获得此类关键信息。现在可以做到这一点
使用我们已经验证并掌握的方法使用直接电子显微镜 (EM) 可视化。
在拟议的工作中,我们将对由以下物质形成的大(120-240 nt)颗粒进行高分辨率研究
单链富含 G 的端粒 DNA 和 TERRA RNA。这对于理解 tel-R- 的结构至关重要
循环并将由 CryoEM 完成。为了确定 tel-R-loops 的频率、位置、大小和集群,我们
将结合我们的一系列 EM 工具,对端粒 DNA 进行新颖的亲和分离。这将完成
使用培养的 HeLa 和人类 ALT 癌细胞系,并扩展到用有毒化学物质处理的细胞,包括
顺铂和甲醛在 DNA 中引入交联。一种新的化学光基因组学方法
ROS 在细胞端粒处产生 8-oxoG 损伤,将在合作中应用
已确定对 tel-R-loops 的影响。 T 环连接可能具有重要的功能作用,这将是
探索了使用检测方法来检测 HJ 解离酶裂解 T 环连接后的端粒延伸。
项目成果
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