PARP1启动子高甲基化通过驱动端粒功能障碍介导的角质形成细胞衰老促进砷诱导的皮肤损伤

本研究探讨了长期砷暴露导致皮肤损伤的新机制。研究人员发现砷通过上调DNMT3介导PARP1启动子高甲基化，抑制其表达，进而破坏TERF2-BLM相互作用，导致端粒功能障碍，促进角质形成细胞衰老和上皮-间质转化(EMT)。该研究从表观遗传学角度揭示了砷致皮肤损伤的分子机制，为干预治疗提供了新靶点。

　　

砷是一种常见的环境污染物，长期暴露会导致皮肤损伤，包括过度角化、色素沉着甚至皮肤癌。尽管砷的皮肤毒性已被广泛认识，但其具体的致病机制仍不清楚。特别令人困惑的是，即使在砷暴露停止后，患者的皮肤病变仍然持续存在，这表明砷可能通过某种持久性的机制在发挥作用。近年来，细胞衰老在皮肤疾病中的作用日益受到关注，但砷是否通过诱导皮肤细胞衰老来促进皮肤损伤尚不明确。

在这项发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》的研究中，研究人员从表观遗传学和遗传学角度深入探讨了砷诱导皮肤损伤的机制。他们发现砷暴露会导致皮肤细胞衰老，并随着皮肤损伤程度的加重而加剧。更重要的是，这种细胞衰老与上皮-间质转化(EMT)过程密切相关，而EMT是皮肤癌发展过程中的关键环节。

为了开展这项研究，研究人员采用了多层面的技术方法。他们首先收集了106例皮肤样本，包括参考组和砷暴露组，后者又根据皮肤组织病理学检查分为普通病理改变组、过度角化组和皮肤癌组。通过免疫荧光、实时定量PCR(qPCR)、Western blot等技术检测了衰老相关分泌表型(SASP)、相对端粒长度(RTL)和EMT标志物的表达。在细胞实验中，研究人员建立了砷诱导的HaCaT细胞损伤模型，采用衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-β-gal)活性检测、端粒荧光原位杂交(FISH)、染色质免疫沉淀(ChIP)、共免疫沉淀(Co-IP)和亚硫酸氢盐测序PCR(BSP)等技术，深入研究了PARP1在端粒功能障碍和细胞衰老中的作用机制。

3.1. 砷诱导皮肤损伤过程中细胞衰老的动态变化

研究人员发现，与参考组相比，砷暴露组中EMT标志物E-cadherin表达降低，vimentin表达升高，且随着皮肤损伤程度的加重，这种变化更加明显。同时，细胞衰老指标IL-6和IL-17在砷暴露组中表达增加，相对端粒长度则显著缩短。相关性分析显示，细胞衰老指标(IL-6、IL-17、相对端粒长度)与皮肤损伤指标(E-cadherin、vimentin)之间存在显著相关性，表明细胞衰老可能参与了砷诱导的EMT过程。

3.2. 细胞衰老的动态进展驱动砷诱导的HaCaT细胞EMT

体外实验表明，用1 μmol/L砷处理HaCaT细胞20代后，E-cadherin蛋白水平下降，vimentin蛋白水平上升。SA-β-gal染色显示，砷处理后的衰老细胞数量显著增加。同时，端粒长度进行性缩短，端粒相关DNA损伤增加，γ-H2AX蛋白表达逐渐升高。p-p53和p21水平上调，SASP(IL-6和IL-17)水平增加。这些结果表明砷诱导的端粒功能障碍促进了细胞衰老和SASP分泌，进而导致HaCaT细胞EMT。

3.3. PARP1介导端粒功能障碍并导致砷诱导的HaCaT衰老和EMT

通过数据库筛选，研究人员发现PARP1在砷暴露后下调最为明显。免疫荧光显示，与对照组相比，砷致皮肤病变患者中PARP1蛋白表达逐渐降低。细胞实验中，砷处理导致PARP1 mRNA和蛋白水平下降。过表达PARP1可缓解砷引起的E-cadherin下降和vimentin升高，减轻SA-β-gal阳性细胞数量的增加，并缓解相对端粒长度的缩短。

3.4. PARP1破坏TERF2-BLM相互作用并驱动砷诱导的端粒相关DNA损伤

研究发现，与砷处理组相比，PARP1过表达显著减轻了砷诱导的端粒相关DNA损伤，降低了γ-H2AX、p-p53和p21水平，并减少了SASP(IL-6和IL-17)的分泌。砷处理降低了端粒保护蛋白TERF2的表达，而PARP1过表达可上调TERF2 mRNA和蛋白水平。Co-IP分析表明，PARP1和TERF2在细胞内相互作用，TERF2与BLM也存在相互作用。PARP1敲低破坏了TERF2-BLM相互作用，而PARP1过表达则增强了这种相互作用，证实了其在端粒修复中的作用。

3.5. DNMT3调节PARP1高甲基化参与砷诱导的细胞衰老并导致HaCaT损伤

研究发现，与对照组相比，砷处理的HaCaT细胞中PARP1启动子甲基化显著增加。砷处理降低了DNMT1表达，但显著增加了DNMT3A和DNMT3B表达水平。ChIP实验显示，DNMT3A和DNMT3B能够结合到PARP1启动子区域。使用DNA甲基转移酶抑制剂5-Aza处理后，显著抑制了DNMT3A和DNMT3B的表达，导致PARP1启动子去甲基化和PARP1 mRNA水平的恢复。5-Aza处理还增加了PARP1和TERF2蛋白表达，增强了TERF2与BLM的相互作用，缓解了端粒缩短和端粒相关DNA损伤，降低了γ-H2AX、p-p53、p21、IL-6和IL-17水平，减轻了SA-β-gal活性，并改善了EMT标志物的表达。

研究讨论部分强调，细胞衰老在砷暴露引起的疾病中的作用日益受到关注。皮肤损伤是砷毒性的典型表现，但其发病机制一直是研究的重点。本研究通过分析收集的皮肤标本，发现在砷中毒患者中，皮肤衰老与皮肤损伤之间存在显著相关性。细胞实验证明，砷诱导DNMT3介导的PARP1启动子高甲基化，导致其低表达，进而驱动端粒功能障碍，介导细胞衰老，最终导致皮肤损伤。

端粒功能的维持需要多个基因的协调作用，包括端粒酶、端粒结合蛋白以及DNA损伤和修复基因。PARP1作为一种参与DNA修复、翻译、转录、端粒维持、染色质重塑和维持基因组完整性的蛋白，在细胞功能中起着至关重要的作用。本研究证明，砷显著降低了角质形成细胞中PARP1的表达，并通过PARP1促进了端粒相关DNA损伤和皮肤细胞衰老。

砷暴露与DNA甲基化密切相关。PARP1启动子区域含有CpG岛。本研究发现砷上调了DNMT3A和DNMT3B，从而增强了PARP1启动子区域的甲基化。使用甲基转移酶抑制剂5-Aza干预后，PARP1启动子区域显示低甲基化和高表达。与遗传损伤不同，DNA甲基化的可逆性使其成为疾病干预的潜在靶点。

该研究的重要意义在于从表观遗传学角度揭示了砷诱导皮肤损伤的新机制，明确了PARP1启动子高甲基化通过端粒功能障碍介导细胞衰老的途径，为砷致皮肤损伤的干预治疗提供了新的靶点策略。特别是发现了DNMT3-PARP1-端粒功能障碍-细胞衰老-EMT这一新的信号轴，为理解环境污染物致皮肤疾病机制提供了重要见解。