Study on the initiation mechanism of Alternative Lengthening of Telomeres upon BRCA2 abrogation

Abstract

암 억제인자 BRCA2는 텔로미어 G-quadruplex (G4) 구조와의 상호작용을 통해 텔로미어 복제 항상성을 유지한다. 따라서 BRCA2가 결손되면 텔로미어 손상이 증가하며, 궁극적으로 텔로미어가 짧아진다. 하지만, BRCA2가 손실된 세포에서 일부는 텔로미어 길이를 유지하기 위해 절단 유도 복제 (break-induced replication, BIR) 기작을 유발하는데 이를 대안적 텔로미어 유지기작 (Alternative Lengthening of Telomeres, ALT)이라 한다. BRCA2가 결핍된 세포에서 어떻게 대안적 텔로미어 유지 기작이 발동하는지는 알려져 있지 않다. 흥미롭게도 이러한 세포들은 세포 내에서 ALT-연관 PML 바디 (ALT-associated PML body,APB)를 보이는데, 본 연구를 통해 이러한 특징의 근본적인 분자적 원리를 알아보고자 하였다. 본 저자는 BRCA2 결손 시 텔로미 G4 구조가 비정상적으로 유지된다는 것을 보았다. G4 구조가 많이 형성될수록 텔로미어 RNA인 TERRA가 생산되고, 이는 DNA와의 결합 구조인 R-loop을 이룬다. 이러한 R-loop은 APB 형성의 방아쇠 역할을 한다. APB 형성의 원리는 액체-액체 상분리 (liquid-liquid phase separation, LLPS)이다. 본 저자는 APB의 액체 성질이 텔로미어 합성에 필수적임을 밝혔다. APB의 기초인자인 PML 단백질이 없이도, 텔로미어에 상분리를 유도하면 텔로미어 연장이 가능하였다. 절단 유도 복제는 오류를 많이 발생시키는 보수적인 DNA 합성 방식인데, 주로 세포주기 중 G2/M 기에서 일어난다. 이를 통해 ALT 텔로미어가 이질염색질 상태일 것이라고 예측하였다. 본 저자는 ALT 텔로미어에 H3K27me3 마커가 증가하며 이것이 APB 유지에 기여함을 보였다. 즉, 3K27me3 마커를 제거하면 APB가 해체되고 결국 텔로미어 합성이 저해된다. 이러한 H3K27me3 마커는 PRC2 복합체가 생성하는데, 이 복합체는 TERRA R-loop 구조와의 상호작용을 통해 텔로미어로 모집된다. 마지막으로 본 저자는 비정상적 G4 유도제와 PRC2의 효소단백질인 EZH2의 억제제의 조합이 BRCA2-연관 ALT 암세포에 대해 특이적으로 적용 가능함을 주장한다. 종합하면, 본 연구는 암발생과정에서 어떻게 대안적 텔로미어 유지 기작이 유도되는 지에 대한 분자적 기전을 제시한다.

The tumor suppressor BRCA2 guarantees telomere replication homeostasis through dynamic interaction with telomeric G-quadruplex (G4). Loss of BRCA2 increases telomere damages, resulting in telomere shortening. However, a subset of cells instigates break-induced replication (BIR) for telomere maintenance, classified as Alternative Lengthening of Telomeres (ALT). It is unclear how ALT is initiated in BRCA2-depleted cells. Intriguingly, these cells display distinct appearance of ALT-associated PML bodies (APBs), yet the underlying molecular mechanism remains elusive. Here, I show that BRCA2 depletion induces abnormal stabilization of telomeric G4. This DNA secondary structure leads to TERRA R-loop formation, which is the trigger for APB assembly. The model of APB nucleation is liquid-liquid phase separation. Here, I demonstrate that the liquid property of APB is key in BIR-mediated telomere synthesis. Even in the absence of PML, the base of APB, engineering phase separation at telomeres warrants telomere elongation. BIR, an error-prone and conservative DNA synthesis, takes place in G2/M phase. This suggests that ALT telomeres might be heterochromatin. Here, I show that H3K27me3 mark at telomeres is crucial for the maintenance of APB, a platform for telomere synthesis. Disruption of H3K27me3 by depleting or inactivating PRC2 complex abolished APB, as well as BIR. PRC2 complex, which is responsible for tri-methylation of H3K27, gets recruited to telomere chromatin through interaction with TERRA R-loops. Finally, I propose that combinatorial treatment with G4 stabilizer and inhibitor of EZH2, a catalytic subunit of PRC2, have therapeutic potential for BRCA2-associated ALT cancers. Collectively, my study illustrates the molecular basis of how ALT is activated during tumorigenesis.