细胞生物学的深刻范式转变：修复DNA损伤的酶

在危机中，细胞核会召唤抗氧化酶来救援。核代谢活跃是一个深刻的范式转变，对癌症研究有影响。研究人员发现，细胞核的代谢是活跃的，细胞酶在受到损伤时保护DNA的完整性。这种对细胞代谢的理解的转变可以为癌症治疗提供新的策略，因为癌细胞经常劫持代谢过程以促进其生长。

　　

摘要：

• 在危机状态下，比如DNA大面积损伤，细胞核通过利用线粒体机制进行威胁基因组完整性的紧急修复来保护自己。

• 这一发现代表了一种范式的转变，因为细胞核一直被认为是代谢惰性的，通过细胞质中的供应链进口其所有需求。

• 癌症劫持了细胞的新陈代谢，以实现不受约束的生长。这些发现可以为克服耐药性提供新的线索，并最终设计出新的治疗方法，从而有助于指导未来的癌症研究方向。

一个典型的人体细胞是新陈代谢活跃的，通过化学反应将营养物质转化为能量和维持生命的有用产品。这些反应还会产生活性氧，这是一种危险的副产物，比如过氧化氢，它会破坏DNA的组成部分，就像氧气和水腐蚀金属并形成铁锈一样。就像建筑物因锈蚀的累积效应而倒塌一样，活性氧威胁着基因组的完整性。

人们认为，细胞通过在细胞核外、细胞质和线粒体内进行代谢活动来微妙地平衡它们的能量需求，避免破坏DNA。抗氧化酶的作用是在活性氧到达DNA之前将其清除，这是一种防御策略，可以保护大约30亿个核苷酸免受潜在的灾难性突变。如果DNA损伤无论如何发生，细胞会暂时停止并进行修复，合成新的构建块并填补空白。

尽管细胞代谢在维持基因组完整性方面发挥着核心作用，但目前还没有关于代谢扰动如何影响DNA损伤和修复过程的系统、公正的研究。这对癌症等疾病尤其重要，因为它们能够劫持代谢过程以实现不受约束的生长。

由巴塞罗那基因组调控中心(CRG)的Sara Sdelci和维也纳奥地利科学院分子医学研究中心和维也纳医科大学的Joanna Loizou领导的一个研究小组通过开展各种实验来确定哪些代谢酶和过程对细胞的DNA损伤反应至关重要，从而解决了这一挑战。研究结果发表在今天的《Molecular Systems Biology》杂志上。

研究人员通过实验，使用一种常见的化疗药物——依托泊苷，在人类细胞系中诱导DNA损伤。依托泊苷的工作原理是破坏DNA链，阻断一种帮助修复损伤的酶。令人惊讶的是，诱导DNA损伤导致活性氧在细胞核内产生和积累。研究人员观察到，细胞呼吸酶(活性氧的主要来源)在DNA损伤的情况下从线粒体转移到细胞核。

这一发现代表了细胞生物学的范式转变，因为它表明细胞核具有代谢活性。“哪里有烟哪里就有火，哪里有活性氧就有代谢酶在起作用。从历史上看，我们一直认为细胞核是一种代谢惰性的细胞器，它从细胞质中进口所有需要的东西，但我们的研究表明，细胞中存在另一种类型的代谢，并且在细胞核中发现，”该研究的通讯作者、基因组调控中心的组长Sara Sdelci博士说。

研究人员还使用CRISPR-Cas9识别了在这种情况下对细胞存活很重要的所有代谢基因。这些实验表明，细胞命令PRDX1酶(一种通常也存在于线粒体中的抗氧化酶)前往细胞核，清除存在的活性氧，以防止进一步的损伤。PRDX1还被发现通过调节细胞中天冬氨酸的可用性来修复损伤，天冬氨酸是一种对合成核苷酸(DNA的组成部分)至关重要的原料。

“PRDX1就像一个机器人泳池清洁工。众所周知，细胞利用它来保持内部“清洁”，防止活性氧的积累，但以前从未在核水平上使用过。这证明，在危机状态下，细胞核通过挪用线粒体机制作出反应，并建立紧急快速工业化政策，”Sdelci博士说。

这些发现可以指导未来的癌症研究方向。一些抗癌药物，如本研究中使用的依托泊苷，通过破坏肿瘤细胞的DNA和抑制修复过程来杀死肿瘤细胞。如果累积了足够的损伤，癌细胞就会启动一个自我毁灭的过程。

在他们的实验中，研究人员发现，敲除对细胞呼吸至关重要的代谢基因——从氧气和营养物质中产生能量的过程——会使正常的健康细胞对依托波苷产生抵抗力。这一发现很重要，因为许多癌细胞是糖酵解的，这意味着即使在氧气存在的情况下，它们也会产生能量，而不进行细胞呼吸。这意味着依托泊苷和其他具有类似机制的化疗在治疗糖酵解性肿瘤方面可能效果有限。

该研究的作者呼吁探索新的策略，例如将依托泊苷与药物联合使用的双重治疗，也可以促进活性氧的产生，以克服耐药性，更快地杀死癌细胞。他们还假设，将依托泊苷与核苷酸合成过程的抑制剂结合可以通过阻止DNA损伤的修复和确保癌细胞正确地自我毁灭来增强药物的作用。

Joanna Loizou博士，通讯作者和维也纳医科大学分子医学中心的组长，强调了采用数据驱动方法来发现新的生物过程的价值。“通过使用无偏见的技术，如CRISPR-Cas9筛选和代谢组学，我们了解了DNA修复和代谢这两个基本细胞过程是如何交织在一起的。我们的研究结果揭示了针对这两种癌症途径如何改善患者的治疗效果。”

参考:A metabolic map of the DNA damage response identifies PRDX1 in the control of nuclear ROS scavenging and aspartate availability