《DNA Repair》：Fueling for the finish line: control of human telomerase activity by nucleotide metabolism
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端粒长度调控与dNTP代谢关系密切，GWAS和CRISPR筛选发现代谢基因变异影响端粒酶活性，TYMS突变导致短端粒表型，代谢节点调控与治疗潜力被揭示。
威廉·曼赫兹（William Mannherz）| 苏尼特·阿加瓦尔（Suneet Agarwal）
波士顿儿童医院血液学/肿瘤学与干细胞项目；美国马萨诸塞州波士顿
摘要
端粒是重复的DNA序列，它们维持着基因组的完整性。人类端粒的长度通过基因组复制过程中的端粒侵蚀与端粒酶逆转录酶介导的端粒延长之间的平衡来保持在一个狭窄的范围内。在人类中，遗传决定的端粒长度与寿命相关，而端粒长度维持基因的遗传缺陷则会导致一系列致命疾病，这些疾病被称为端粒生物学障碍（TBDs）。最近，dNTP代谢被证实是一个此前未被充分重视的途径，它对人类端粒酶的调控和端粒长度的控制至关重要。全基因组关联研究指出，多个dNTP代谢基因的变异与人类端粒长度有关。编码限速胸苷合成酶胸苷酸合成酶的TYMS位点的遗传变异已被证明会导致先天性角化不良（dyskeratosis congenita，TBD）。全基因组CRISPR/Cas9功能筛选将端粒长度控制与多个关键的dNTP代谢基因联系起来。值得注意的是，从这些遗传数据中得出的机制研究表明，人类端粒酶活性对细胞内dNTP水平具有显著的、双向的敏感性，这种敏感性可以通过多个代谢调控节点进行调节。本文综述了支持dNTP代谢与端粒长度控制之间关系的新兴遗传证据和机制研究，并提出了一个整合模型，其中dNTP底物的水平决定了端粒酶逆转录酶的活性，进而影响人类端粒的长度。我们讨论了通过调节dNTP代谢来治疗TBDs及相关退行性疾病的潜在治疗前景和最新试验。
引言
端粒由染色体末端的重复序列组成，这些序列有助于维持基因组的稳定性[1]、[2]。由于DNA复制机制无法完全复制染色体末端，端粒在细胞分裂过程中会缩短[3]、[4]。当端粒长度达到临界值时，会触发细胞衰老，阻止进一步的细胞分裂[5]。因此，端粒长度限制了细胞的复制能力。这种限制可以通过表达端粒酶来克服，端粒酶是一种全酶复合体，它利用RNA模板和逆转录酶从dNTP底物合成新的端粒重复序列[6]、[7]。端粒酶的活性受到其核心酶成分——逆转录酶TERT和非编码RNA模板TERC的可用性的严格限制。TERT的表达仅限于干细胞、生殖细胞和其他再生细胞[8]。TERT的表达可以被视为细胞端粒酶活性的开关。在表达TERT的细胞中，功能性端粒酶的丰度对TERC的水平非常敏感[9]，而TERC本身在转录水平、转录后加工、dyskerin H/ACA核糖核蛋白组装以及亚细胞定位到Cajal小体等方面都受到严格调控[10]。端粒重复序列的合成还受到shelterin和CST1/STN1/TEN1（CST）复合体的调控，这些复合体控制着端粒酶对端粒3’末端的访问能力[11]、[12]。迄今为止，关于人类端粒酶调控的研究主要集中在端粒酶全酶的丰度及其与其底物之一的相互作用上（图1）。其他底物脱氧核苷三磷酸（dNTPs）通常被认为在端粒合成中是充足的，因为它们在基因组复制中的使用量大约是其5倍[3]。
端粒长度的维持对人类健康至关重要，端粒酶功能的紊乱会导致疾病。遗传决定的端粒长度与普通人群中的常见病理状况相关[13]。端粒酶和端粒维持基因的遗传突变会导致端粒过早缩短，从而引发一系列严重的退行性疾病，统称为端粒生物学障碍（TBDs）[14]。过去25年中，TBDs的遗传发现重新确认并扩展了现有的端粒长度控制模型，识别出多个影响人类端粒酶积累和招募到端粒末端的因素和新机制。出乎意料的是，多项独立的遗传和功能研究表明，端粒酶对细胞内dNTP水平具有高度敏感性[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。dNTP水平受到从头合成、从核苷中回收、用于DNA合成和修复以及分解代谢之间平衡的严格控制（图2）。本文综述了我们对dNTP代谢如何参与人类端粒长度调控的最新理解，并提出了一个端粒长度控制模型，在该模型中，dNTP底物的水平决定了端粒酶逆转录酶的活性，进而影响人类端粒的长度。我们讨论了这一模型在临床和进化方面的意义，重点关注人类细胞中的端粒长度控制。我们不会涉及酵母中的相关研究[20]、[21]、[22]、[23]，这些内容已在其他地方讨论过[20]。
部分摘要
dNTP代谢与端粒长度在群体水平上的遗传关联
端粒长度是一种遗传性状，基于双胞胎和家族研究估计其遗传率为40-80%[24]、[25]。虽然1999年首次发现了导致端粒缩短的端粒生物学基因的罕见致病变异[26]，但端粒长度遗传性的许多遗传变异机制尚不清楚。从2010年代开始，全基因组关联研究（GWAS）发现了与端粒长度相关的常见遗传变异
以底物水平激活端粒酶来解释dNTP代谢与端粒长度之间的关系
遗传数据和功能数据的结合表明，dNTP代谢通过影响底物水平的端粒酶活性来影响端粒长度。在这个模型中，增加dGTP、dTTP和dATP水平的遗传变异或代谢调控会提高端粒酶活性，从而延长端粒长度；而减少这些底物水平的调控则会降低端粒酶活性，导致端粒缩短
dNTP底物水平端粒酶调控模型的临床意义和治疗前景
最近的研究表明，TYMS位点的遗传突变导致的dNTP合成缺陷是先天性角化不良（DC）的原因[16]。我们的结果表明，dTTP合成的缺乏会导致dNTP底物减少，从而降低端粒酶活性，解释了这些患者观察到的端粒长度缩短现象。这种端粒酶缺陷的机制与其他已知的TBD基因不同，后者影响端粒酶的生物发生和内在酶功能
展望和未解决的问题
最近，通过GWAS、孟德尔遗传学和功能筛选，dNTP代谢与人类端粒长度之间的关联得到了证实。dNTP代谢对端粒酶活性的底物水平调控为人类端粒长度控制提供了一个更新的模型（图1）。我们已经发现了利用dNTP代谢延长人类细胞（包括TBD患者细胞）端粒长度的小分子和遗传方法，为这些致命疾病开辟了潜在的新治疗途径。
CRediT作者贡献声明
苏尼特·阿加瓦尔（Suneet Agarwal）：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。威廉·曼赫兹（William Mannherz）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：苏尼特·阿加瓦尔和威廉·曼赫兹拥有与本工作相关的专利申请，这些申请正在波士顿儿童医院处理中。他们没有其他已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作
致谢
我们感谢以下资助来源：美国国立卫生研究院的资助：F30DK135340（W.M.）、T32GM007753（W.M.）、T32GM144273（W.M.）、R01DK107716（S.A.）、R33HL154133（S.A.）；波士顿儿童医院转化研究项目（S.A.）；哈佛干细胞研究所（S.A.和W.M.）；Team Telomere（S.A.）；百万美元自行车骑行/宾夕法尼亚医学孤儿病中心（S.A.）；慈善捐赠（S.A.）。
