背景：
蛋白质编码序列上的DNA断裂是组织稳态和维持的公认威胁。它们源于暴露于细胞内和环境中的基因毒素，在DNA的一或两条链中造成损害。在非编码调控区域如增强子和启动子中也有DNA断裂的报道。产生于基因转录、细胞识别和功能所需的必要细胞过程。其中一个最近引起关注的过程是DNA和组蛋白的氧化去甲基化，它产生基本位点和DNA单链断裂。
简介：
2023年4月6日，来自英国谢菲尔德大学Firth Court健康寿命和神经科学研究所的Sherif F. El-Khamisy教授课题组在Trends in Cell Biology（IF: 21.1）杂志上发表题为“Oxidative DNA damage and repair at non-coding regulatory regions”的文章[1]。在本文中，作者讨论了非编码调控区域的氧化DNA断裂是如何产生的，以及最近报道的NuMA(核有丝分裂器)蛋白在促进这些区域的转录和修复中的作用。
主要结果：
非编码基因调控区域的DNA损伤。
表观遗传重编程是在发育和应对压力时开关基因的必要条件。这涉及到对DNA本身和组蛋白的修饰。DNA和组蛋白的氧化去甲基化是内源性非编码区DNA链断裂的关键来源。氧化性去甲基化产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)， ROS可损伤近端DNA序列，并产生DNA修复中间体，如果不修复，会导致DNA单链断裂。转录还需要通过DNA拓扑异构酶克服拓扑约束。未修复的氧化断裂阻止拓扑异构酶完成其催化循环，导致DNA链断裂。本文讨论了最近的证据表明氧化去甲基化和拓扑异构酶1如何引起DNA单链断裂，以及核有丝分裂器(NuMA)在促进转录和修复反应中的作用。
DNA去甲基化。
最突出的DNA修饰是胞嘧啶的碳-5甲基化(5-甲基胞嘧啶;5mC)，存在于哺乳动物基因组中约80%的CpG位点。5mC的稳态水平调节转录并受DNA甲基转移酶(主要是DNMT1和DNMT3)的DNA甲基化控制。5mC的水平可以在DNA复制过程中被“被动”稀释，也可以被TET蛋白“主动”去除。TET蛋白通过分子氧进行氧化去甲基化，依次将5mC氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)、5-甲酰胞嘧啶(5fC)和5-羧胞嘧啶(5caC)。胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)催化5fC和5caC切除到基本位点(ap位点)。
TET1与染色质上的APE1和PARP1结合的观察结果支持胞嘧啶去甲基化作为非编码调控区断裂的来源。此外，通过测量核苷酸类似物5-乙炔基-2 ' -脱氧尿嘧啶核苷(EdU)的非复制掺入(作为ipsc衍生神经元的DNA修复代理)，我们在增强子和启动子处发现了数千个DNA修复热点。修复热点与ATAC-seq发现的位点重叠，这标志着染色质可访问区域。Reid等发现，修复位点在启动子和H3K27乙酰化水平高的区域高度富集，H3K27乙酰化是一种与活性启动子和增强子相关的组蛋白标记。
组蛋白去甲基化。
转录激活需要组蛋白H3和H4的去甲基化和乙酰化。这对增强子活性尤其重要，增强子活性的标志是H3K27me3的去除和H3K27ac标记的沉积，以保持增强子的开放染色质状态促进增强子RNA合成。组蛋白去甲基化酶分为两类。黄素腺嘌呤二核苷酸依赖性单胺氧化酶，包括赖氨酸特异性去甲基化酶1 (LSD1，也称为KDM1A)。LSD1以环境依赖的方式使目标位点的H3K4me和H3K9me去甲基化，并产生副产物H2O2。第二类是Jumonji (JMJ)家族，在α-酮戊二酸的氧化脱羧过程中也会产生超氧阴离子(•O2-)形式的副产物ROS，依赖于分子氧和铁。该家族还包括X染色体上广泛转录的四三肽重复序列(UTX-1)和JMJD3，它们分别使H3K27me2和H3K27me3去甲基化。在活性增强子上，H3K27的去甲基化和乙酰化功能可能是耦联的。在不改变组蛋白H3赖氨酸27 (H3K27ac)乙酰化的H3K27乙酰转移酶creb结合蛋白(CBP)水平的情况下，UTX-1敲除可导致H3K27ac减少，这一观察结果提示了这一点。相反，UTX-1过表达增加H3K27ac。
一个蛋白，两个功能:NuMA在有丝分裂和DNA修复中的作用。
NuMA结合动力蛋白和dynactin，在有丝分裂期间稳定微管-中心体相互作用。有丝分裂过程中调节NuMA功能的两个关键翻译后修饰已被报道。细胞周期蛋白依赖激酶1 (CDK1)在T2055的磷酸化确保了中期纺锤体定位的最佳水平。NuMA也被Aurora-A激酶S1969磷酸化，这决定了它的纺锤体方向。上述两个磷酸化事件不同于NuMA在响应DNA损伤时的磷酸化。在电离辐射诱导的氧化损伤后，NuMA在S395被磷酸化，这是在蛋白质组学筛选ATM和共济失调毛细血管扩张症和Rad3相关(ATR)识别的共同位点上的磷酸化蛋白中首次观察到的。NuMA在S395位点的磷酸化反应稍后被磷酸化特异性抗体证实，并被认为调节DNA修复蛋白如53BP1在受损染色质中的富集。NuMA被ATM(或ATR)磷酸化是否是最佳转录反应和增强子和启动子氧化断裂修复所必需的，目前尚不清楚。由于ATM缺乏会导致小脑神经变性，且ATM本身会被氧化应激直接激活，因此ATM的保护作用有望在神经元中高度相关。
另一种翻译后修饰是PARylation。NuMA被鉴定为有丝分裂中由tankyrase 1介导PARylation的主要受体。敲低tankyrase 1消除有丝分裂中的NuMA PARylation。PARP3也直接或通过tankyrase 1刺激有丝分裂期间NuMA PARylation。除了自身的PARylated, NuMA还结合PARylated蛋白，从而促进有丝分裂细胞分裂过程中纺锤体恰好两极的组装。与有丝分裂过程中由tankyrase和PARP3介导的PARylation不同，NuMA最近被报道可以与PARP1结合，而PARP1在氧化DNA断裂修复的间期发挥重要作用。NuMA与Pol2和氧化修复因子如TDP1和XRCC1存在复合物中，并且PARP1的存在是复合物组装所必需的，而不是PARP3。
非编码区氧化损伤在疾病和衰老中的作用。
转录和修复协调的缺陷很可能是年龄相关和疾病驱动的神经变性的关键原因。NuMA在清理调控区域的DNA断裂和疾病之间的直接联系仍有待确定。适当的动物模型分析和全基因组测序应该为调控区域修复的作用提供更多的见解。
如果DNA修复能力随时间保持完整，那么5mC氧化的重复迭代和相关的DNA修复可以在组织的一生中耐受。然而，这在衰老过程中是不可能的，这可能是有害的，因为DNA修复聚合酶的保真度低于DNA复制聚合酶。事实上，2004年观察到在老化的大脑中表现出表达减少的基因的启动子中，氧化性DNA损伤增加，这一观察结果首次提示了调控区域的DNA损伤增加。在培养的神经元中，相同基因的启动子被氧化应激选择性地损伤。这些早期观察结果与以下观点一致:调控区域的DNA损伤可能会降低一些比其他基因更脆弱的基因的表达，这可能促进衰老过程。这还将增加非周期组织中随着年龄增长的体细胞突变，并对可提供选择性生长优势的周期细胞中的突变进行克隆选择。
值得注意的是，尽管在XRCC1缺乏和神经变性之间缺乏直接联系，但仍有人提出XRCC1具有神经保护作用。这是因为XRCC1和NuMA一样，是一种必需的蛋白质，而生殖细胞系缺陷会导致胚胎死亡。直到最近，引起表达减少的低形态性XRCC1突变才被发现与神经变性相关。NuMA的低形性突变是否与神经系统疾病相关仍有待确定。
XRCC1、ATM或TDP1缺乏会导致人类神经变性。临床表现归因于这些修复因子在基因体的明确作用。然而，相同的蛋白质编码突变常常导致一系列疾病的发病和严重程度，这提出了修复非编码基因调控区域的缺陷和突变可能改变疾病风险、发病或严重程度的可能性。支持这一观点的是，通过移除TET2来抑制基因调控区域断裂的潜在来源，从而在神经变性的小鼠模型中产生了神经保护作用。
此外，增强子的体细胞变异体与神经系统疾病相关。例如，已发现与帕金森病相关的变异体可调节多巴胺能神经元中增强子RNA的表达。在阿尔茨海默病(AD)中发现了一个小胶质细胞基因网络，主要局限于小胶质细胞增强子。AD患者脑组织中反映氧化DNA损伤的突变标签增加。因此，利用启动子/增强子的特异性突变作为生物标记物来早期检测/预测诸如痴呆和AD等疾病是合理的。然而，要实现这一目标，就需要具备检测血液等可获取的生物液体中突变的能力。目前仍有待确定这一方法是否可行，以及它是否能反映大脑中的突变，还是能提供血细胞扩增选择性优势的突变(血细胞扩增会增加年龄相关性疾病的风险)。
结论和展望：
近年来，随着对DNA氧化断裂修复来源和机制研究的不断深入，人们逐渐认识到去甲基化和NuMA在控制增强子和启动子完整性中的作用。NuMA的作用以及非编码区氧化断裂促发疾病的程度需要进一步研究，而不再关注单一细胞类型或组织。了解未修复的DNA损伤和非编码区突变是否以及如何促发疾病，可以解释为什么相同的蛋白质编码突变会导致不同的疾病严重程度和发病情况。这里的一个主要挑战是了解非编码区的致病变异体如何改变疾病风险、发病或严重程度。最终目标是改进早期诊断和部署更好的治疗策略[例如基于规律成簇的间隔短回文重复序列(CRISPR)]，以在遗传或表观遗传上改变调控区域的功能。这种方法避免了与靶向蛋白质的药物相关的潜在多效性效应。
原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0962-8924(23)00045-4
参考文献：
[1] El-Khamisy SF. Oxidative DNA damage and repair at non-coding regulatory regions. Trends Cell Biol. 2023 Apr 6:S0962-8924(23)00045-4. doi: 10.1016/j.tcb.2023.03.004. Epub ahead of print. PMID: 37029073.
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
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