DNA损伤修复了就OK了吗？也会导致衰老

　　

生物通报道：现在，科学家可以任意破坏一个新小鼠模型的基因组。他们将从这种方法中获得关于“修复的DNA断裂将如何造成长期的细胞损伤和衰老”的什么信息呢？

在我们的一生当中，DNA会发生断裂。紫外线和其他形式的辐射会打断DNA链；活性氧原子会脱去它的氢，改变碱基；而停滞的复制或修复过程，可导致进一步的断裂或突变。长久以来，科学家们一直认为，双链断裂这种损害有助于衰老，但直到现在也没有直接的证据。现在，利用两种新的小鼠模型，科学家可以诱导断裂，提供了一种方法来检验这一假设。早期的研究结果表明，虽然细胞能在短期内能修复DMA损伤，但是这个断裂和修复过程，可重新产生衰老的几个特性。

科学家们可以用辐射或毒素导致DNA断裂，但他们不能完全解耦伴随蛋白质和脂质损伤产生的遗传损伤。美国国家癌症研究所的Philipp Oberdoerffer博士指出：“我们想知道，当你真正非常精确地引起断裂时，发生了什么？”他对长期的辐射特别感兴趣：即使细胞修复了一处损伤——这往往需要几个小时，这些损伤的一些后果是否仍然存在，并且会改变断裂点附近的基因表达吗？Oberdoerffer推测，如果控制表达的表观遗传标记缺失，而DNA链正在被修复时，的确会这样。

纽约艾伯特爱因斯坦医学院的Jan Vijg，也预测了双链断裂的长期后果。他说：“如果DNA损伤仅出现在一个短暂的时间内，在衰老过程中仍然会有很多不好的表型发生。”切断的DNA可能会导致细胞凋亡，停止分裂，或者错误地召集免疫系统；修复中的错误也可能产生突变。这两个研究团队制备了模型小鼠，来探索他们的问题。

Chop Chop
Oberdoerffer的团队设计了一个使用I-PpoI核酸内切酶的诱导系统，他们在《Nucleic Acids Research》杂志发表的文章中进行了描述。这种真菌酶可切割15个碱基对的基序，这在小鼠基因组中会发生大约130次。研究人员制备了一个I-PpoI转基因，连接到部分雌激素受体的编码。一般情况下，这个融合蛋白是细胞质的，但给小鼠注射与他莫昔芬可激活雌激素受体，该受体会携带酶进入细胞核中，在那里它攻击DNA。他们使基因的表达依赖于Cre酶，因此他们可以在不同的组织中表达Cre和打开转基因。在这第一项研究中，他们针对的是T细胞，一个易于访问的细胞群。

Oberdoerffer和同事给6周龄的小鼠服用了3天的他莫昔芬。他们估计，在这段时间内，一个细胞内的I-PpoI将至少一次沉默其靶位点中的一个。有些细胞死亡，也许是由于过度的遗传损伤，但研究人员将那些在切割和修复过程中幸存下来的细胞分离出来。

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为了寻找对转录的修复后影响，作者对那些幸存的T细胞，以及在培养中用他莫昔芬处理的主要T细胞，进行了RNA测序。治疗后不久，含I-PpoI位点的基因表达下降了约百分之20，大概是因为这些基因当中有一些被打断或得以修复。然而，靠近断裂点的基因的表达，通常不受影响。这意味着，T细胞能够在断裂和修复周期中维持它们的基因组稳定，保持稳定的基因表达。Oberdoerffer说：“令人惊讶的是，它真的被有效地修复和恢复了。”

这对细胞和生物体来说是好消息。Oberdoerffer说，这意味着，在接受短期放射治疗的患者当中，存活的细胞可能会在此后不久产生正常的转录组。然而，他推测，采用更长期的他莫昔芬治疗，他将看到转录组更严重的长期变化——可能导致老化。

未老先衰
2015年8月，Vijg在《Nature Communications》发表的研究表明，双链断裂可导致衰老。他和他的团队利用一种腺病毒，将SacI限制酶的编码基因传递到小鼠肝脏。SacI可识别一段六个碱基对的序列，第一作者Ryan White估计，其中有大约110万在小鼠基因组中。像Oberdoerffer那样，Vijg、White和他们的同事使用他莫昔芬与雌激素受体，将这个酶靶定到细胞核上。

White给3月龄小鼠注射SacI病毒2次，相隔一周。一到两个月后，他检查了动物的肝脏。小鼠肝脏看起来很好、很老。免疫细胞浸润了器官，肝细胞包含了增大的细胞核和熔合的线粒体，DNA修复蛋白积聚在未修复的病变部位，就像在衰老的非分裂细胞中看到的那样。细胞核失去了许多的HMGB1——一种与染色质香港的蛋白质，衰老的另一个迹象。然而，这些变化并没有精确地模仿老年肝脏；它们缺少老化特有的黄棕色脂褐质色素积累。

White也用RNA测序分析伪老年肝脏的转录组。他观察到了跟自然衰老肝脏中类似的基因表达变化，如参与炎症和细胞凋亡调节的基因的改变。

Vijg说，这些结果首次提供明确的证据表明，DNA损伤本身——没有其他的细胞功能障碍，可导致老化。他和White推测，一旦细胞感觉到有双链断裂，它可能会激活参与细胞凋亡或衰老的通路——即使它修复了断裂。Vijg计划使用表达Sacl的一种新转基因小鼠品系，在其他器官产生Sacl断裂，并在较长的一段时间密切观察受影响的小鼠。

科学家们一致认为，White可能在他的小鼠中看到了比Oberdoerffer小鼠更严重的症状，部分是因为SacI比I-PpoI切割了更多的基因组。Vijg说：“我认为，这两个模型，有很强的互补性。”他补充说，这两组研究人员已经交换电子邮件，计划开展合作并比较它们的转基因小鼠。

Vijg指出，科学家们对于正常衰老的基本过程仍然不完全了解。但是，用这些新的小鼠，他们可以弄个清楚。

2015年的诺贝尔化学奖，颁给了“DNA修复的细胞机制研究”，紧随诺奖后尘，科学家们队DNA修复的细胞机制，又取得了一系列的研究进展。例如，2015年十月二十八日在《Nature》杂志上发表的一项最新研究，发现了一类新的DNA修复酶(Nature：最新发现一类DNA修复酶)。十一月份在《Nature Cell Biology》发表的一项研究中，加拿大阿尔伯塔大学带领的研究小组，探讨了DNA修复一个以前未知的秘密(DNA修复的一个未知秘密)。十二月份，慕尼黑大学（LMU）研究人员证明，DNA本身可以通过一种非酶促机制（本身是依赖于紫外线），来修复最常见的紫外线介导的损伤类型。这项新研究发表在美国化学学会杂志（Journal of the American Chemical Society）(科学家发现新型DNA修复机制)。新的一年，我们期待着有关DNA修复机制的研究，获得更多的进展。

（生物通：王英）

生物通推荐原文：
1. Kim J, Sturgill D, Tran AD, Sinclair DA, Oberdoerffer P. Controlled DNA double-strand break induction in mice reveals post-damage transcriptome stability. Nucleic Acids Res. 2015 Dec 19; pii: gkv1482.

2. White RR, Milholland B, de Bruin A, Curran S, Laberge RM, van Steeg H, Campisi J, Maslov AY, Vijg J. Controlled induction of DNA double-strand breaks in the mouse liver induces features of tissue aging. Nat Commun. 2015 Apr 10;6:6790.

3. Maslov AY, Metrikin M, Vijg J. A dual-activation, adenoviral-based system for the controlled induction of DNA double-strand breaks. Biotechniques. 2009 Oct;47(4):847-54.