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早老素对人体基因组稳定性的影响探究

时间:2019-09-28 09:00  点击: 次  来源:网络  作者:admin  评论:- 小 + 大

  摘    要: 基因组不稳定 (genomic instability) 是机体衰老的标志之一, 也是儿童早老症 (HutchinsonGilford progeria syndrome, HGPS) 患者细胞的典型特征。HGPS的发生与早老素 (progerin) 堆积密切相关, 但早老素如何引起基因组不稳定尚缺乏系统性的阐述。基因组的结构稳定与DNA的正确复制、DNA损伤修复、端粒的维持和稳定以及表观遗传学修饰密切相关。本文主要讨论早老素在改变正常核纤层结构的基础上, 通过影响相关通路关键蛋白质的水平或者定位, 引起细胞内氧化应激增强、DNA复制应激和DNA损伤修复障碍, 细胞DNA损伤增多和端粒的加速缩短, 并在改变组蛋白甲基化和乙酰化方面导致基因组不稳定的机制。

  关键词: 早老素; DNA损伤修复; 基因组不稳定; 端粒; 表观遗传;

  Abstract: Genomic instability is one of hallmarks of aging and the typical characteristics of HutchinsonGilford progeria syndrome ( HGPS) cells. HGPS is the result of progerin accumulation. However, there is a lack of systematic explanation on how progerin causes genomic instability. The stability of genomic structure is closely related with correct DNA replication, DNA damage repair, telomere maintenance and stability, and histone epigenetic modification. This review mainly discusses the mechanism by which progerin, on the basis of structure aberration of nucleus lamina, causes intracellular oxidative stress, cellular DNA replication stress, DNA damage repair disorder, and increases cell DNA damage, telomere shortening, and dysregulation of histone methylation and acetylation, to induce genome instability by affecting the level or localization of key proteins in related pathways.

  Keyword: progerin; DNA damage repair; genomic instability; telomere; epigenetics;

  细胞或者机体的衰老是一个渐进性的过程,也是机体有害物质累积的过程。损伤的DNA即是有害物质之一,累积到一定程度会引起系统功能紊乱,最终导致死亡[1]。在长期的进化过程中,生物体拥有了一套成熟的DNA损伤检测体系,以及针对不同损伤类型的DNA修复方式,以维持遗传信息的完整性和稳定性。如能正确修复,细胞DNA结构和功能即能恢复正常,细胞得以维持正常状态;若损伤的DNA不完全修复或者无法修复时,DNA发生突变,染色体畸形,可诱导细胞出现功能改变,这与一些衰老相关疾病的发生有密切联系[2]。儿童早老症 (Hutchinson-Gilford progeria syndrome, HGPS) 是由早老素 (progerin) 的累积而引发的早衰疾病,并且与正常的衰老有许多相似之处,是研究人类衰老的理想模型。在HGPS患者的成纤维细胞中,发现有线粒体功能紊乱、氧化应激增强、代谢途径改变和衰老相关通路的激活等方面的变化,以及DNA双链断裂 (DNA double-strand breaks, DSBs) 的累积、端粒加速缩短、组蛋白表观遗传改变等基因组不稳定的现象。本文主要讨论早老素引起基因组不稳定的相关机制 (见Fig.1) 。

  1、 早老素的形成及核纤层结构改变

  核膜为内核膜和细胞质提供了动态的边界。核膜功能以及细胞核的形态又与核纤层密切相关。核纤层位于内层核膜与染色质之间,对于真核细胞的正常功能至关重要。核纤层蛋白是核纤层的组成成分,在核内与核基质相连,在核外与中等纤维相连,有力地支撑着细胞核和染色质的形态[3,4]。核纤层蛋白与核膜、染色质以及核孔复合体在结构和功能上有密切关系,涉及DNA复制、RNA转录、细胞核的构建、核孔的装配、染色质的功能、细胞周期和凋亡等方面[5,6]。在哺乳动物中,核纤层蛋白分为两种类型:A型核纤层蛋白 (包括lamin A, lamin C, lamin C2及lamin AΔ10) 和B型核纤层蛋白 (包括lamin B1, lamin B2和lamin B3) 。A型核纤层蛋白由LMNA基因编码,lamin B1由LMNB1编码,lamin B2和lamin B3由LMNB2编码[7]。编码核纤层蛋白的基因发生突变导致一系列的细胞功能改变,统称为核纤层蛋白病。HGPS即是一种严重的核纤层蛋白病,表现出早衰特征。通常在出生后的第一年,HGPS患者开始显示身材矮小、体重较轻、脱发、脂肪萎缩、硬皮病、面部衰老和骨质疏松等一系列加速衰老的特征,平均寿命为13.5岁[8]。研究表明,HGPS患者出现早老素的累积。早老素是LMNA的第11个外显子点突变的产物,在LMNA基因第1 824位点碱基C突变成T,虽然这是一个同义突变G608G,但是它激活了mRNA水平上的一个隐蔽剪切位点,造成基因转录的mRNA被剪切了150个碱基 (见Fig.2) 。这150个碱基正好包含lamin A成熟过程中由Zmpste24介导的蛋白酶水解位点,由于丢失这个酶切位点,前体lamin A (prelamin A) 被修饰的法尼基团无法被切除而成为早老素,prelamin A不能成为成熟的lamin A。早老素的堆积及lamin A的缺乏,改变了核内核纤层的组成和形态,HGPS患者出现严重的核畸形。核纤层结构上的变化引起染色质功能异常,导致基因表达改变、基因组不稳定等一系列细胞功能的改变,进而引发早衰[9-11]。本文主要围绕早老素在复制应激、DNA损伤、端粒加速缩短、表观遗传改变等基因组稳定性方面的相关作用机制展开综述。
 

早老素对人体基因组稳定性的影响探究


 

  2、 早老素导致复制应激和DNA损伤增加

  正常情况下,lamin A可以与增殖细胞核抗原 (proliferating cell nuclear antigen, PCNA) 相互作用,重新启动停滞的复制叉,从而共同维护DNA复制的正常进行[12]。PCNA是DNA复制过程中的滑动固定蛋白质,在复制叉处招募DNA聚合酶,并且可以加强DNA持续合成能力,它对正常的DNA复制、合成和延伸过程是必不可少的。在早老素存在的情况下,PCNA无法结合在复制叉上,破坏DNA复制的进程,导致复制叉的停滞和核酶介导的复制叉的降解,最终引起复制应激 (replication stress, RS) [13]。在分裂的细胞中,自发的DSBs主要来源于DNA复制,因此,早老素引发的复制应激可能是HGPS患者细胞中DNA损伤的主要原因[14]。此外,HGPS患者细胞代谢产生的基因毒素 (genotoxin) ,如线粒体氧化应激反应产生的活性氧自由基 (ROS) 等,也会造成DNA损伤的增多[2]。Kubben等发现,在HGPS患者的细胞中,有NRF2 (nuclear factor[erythroidderived 2]-like 2) 抗氧化通路的抑制[15]。NRF2参与调控NADPH生成的4个基因 (葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶、苹果酸酶1和异柠檬酸脱氢酶1) 的表达,是促进抗氧化反应的关键因子[16]。早老素通过隔离NRF2使其核定位错误,导致NRF2转录活性受损,造成了HGPS细胞内长期的氧化应激。而在HGPS患者细胞中,重新激活NRF2减少了DNA损伤标志物γ-H2AX的水平[15]。

  作为DNA损伤应答的一部分,多种DSBs修复蛋白质可以被招募到DSBs损伤部位进行修复。而在HGPS患者的细胞中,早老素破坏DSBs处对修复蛋白质的招募,从而无法修复受损的DNA。在Zmpste24-/-小鼠中,也发现类似的情况[17]。在早老素存在情况下,色素沉积皮肤干燥症A基因 (xeroderma pigmentosum group A, XPA) 错误定位于早老素引发的DNA双链断裂区域,阻挡了正常的修复蛋白质在DSBs部位的招募,损伤的DNA无法被修复,导致DNA双链断裂累积增加和细胞中早期复制的停滞[13] (见Fig.3) 。XPA是核酸切除修复 (nucleotide excision repair, NER) 中特异且必不可少的因子,它可以在核酸切除修复中识别DNA损伤,并且在核酸切除修复中核酶的招募和后续的稳定修复发挥重要的作用,但是它并不涉及DSBs的修复过程[18]。这样一来,XPA与DSBs的错误结合,导致正常的DSBs修复蛋白质无法被招募到DSBs处,同时又破坏了核酸切除修复的通路,致使在同样的外界条件的刺激下,HGPS患者的细胞对DNA损伤更加敏感。同时发现,在HGPS患者的细胞中,γ-H2AX和XPA共同定位于DNA复制蛋白质区域,暗示着DSBs的产生可能来自于停滞的或者坍塌的复制叉[13]。早老素引起复制应激以及氧化应激的增强,同时又破坏了细胞内正常的DNA损伤修复机制,加速了DNA损伤的产生。

  Fig.1 Genomic instability caused by progerin

Fig.1 Genomic instability caused by progerin

  Fig.2Maturation of lamin A and formation of progerin or LAΔ50

Fig.2Maturation of lamin A and formation of progerin or LAΔ50

  最近,在哺乳动物中发现了一种核酸转移酶,它是新型的DNA感受器 (DNA sensor) 即cGAS (cGMP-AMP synthase) ,能产生内源性的cGAMP (cyclic dinucleotide 2'cyc-cyclic GMP-AMP) ,继而激活干扰素刺激基因 (stimulator of interferon genes, STING) 。STING是DNA感受通路的一个关键蛋白质,在免疫启动方面有重要意义,它也可以直接或间接识别dsDNA[19-22]。DNA损伤和复制应激不仅是导致衰老和癌症的基因组不稳定性的基础,而且还有助于激活炎症反应。在某些情况下,促进恶性肿瘤和其他衰老相关疾病[23]的发展。例如,早老素通过复制应激引起了细胞质中零散的核酸的积累,被模式识别受体 (pattern recognition receptors, PRRs) 错误地识别为外来物,激活了免疫应答。cGAS-STNG胞质的DNA检测途径对激活干扰素反应至关重要,并与肿瘤和衰老有关[24,25]。Kreienkamp等[26]对HGPS患者的细胞进行全基因组表达分析发现,细胞中有转录信号转导与激活剂1 (signal transducer and activator of transcription 1, STAT1) 介导的IFN样应答途径的强烈激活,以及超过40个STAT调节的干扰素刺激基因 (interferon stimulation genes, ISGs) 的上调,这些代表了强烈的干扰素样应答。早老素破坏DNA的复制过程,复制应激产生的DSBs和散落在胞质中的核苷酸,激活cGAS-STING胞质内DNA感受信号途径,进而激活STAT-1调节的干扰素样应答,导致细胞内固有免疫反应的发生,可能参与细胞功能缺陷和早老的表型。

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关键词:早老素 DNA损伤修复 基因组不稳定 端粒 表观遗传 

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