谷胱甘肽化的DNA加合物会在线粒体DNA中积累，并受到AP内切酶1和酪氨酸-DNA磷酸二酯酶1的调控

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Glutathionylated DNA adducts accumulate in mitochondrial DNA and are regulated by AP endonuclease 1 and tyrosyl-DNA phosphodiesterase 1

线粒体DNA（mtDNA）中谷胱甘肽-DNA加合物（GSH-DNA）的形成机制、调控及其与炎症的关系。研究发现mtDNA GSH-DNA加合物积累量是核DNA的70倍以上，由TFAM和聚胺介导，APE1和TDP1负责修复，且与mtDNA功能蛋白表达变化相关，可能通过免疫信号通路影响炎症。

　　在细胞生物学与遗传学领域，线粒体DNA（mtDNA）作为细胞能量代谢和信号传导的重要组成部分，其结构和功能的完整性对维持细胞健康至关重要。然而，mtDNA相较于核DNA（nDNA）更容易受到内源性和外源性因素的损伤，这些损伤可能与多种疾病的发生发展相关，如线粒体疾病、神经退行性疾病和糖尿病等。近年来，研究发现mtDNA损伤不仅影响基因表达，还可能通过激活先天免疫和炎症反应参与疾病进程。其中，一种新型的mtDNA损伤形式——谷胱甘肽化DNA（GSH-DNA）加合物引起了广泛关注。这些加合物由内源性脱碱基位点（AP位点）或烷基化DNA损伤在特定条件下形成，其在mtDNA中的高积累表明其可能在细胞应激和炎症反应中发挥重要作用。

### mtDNA损伤的形成与生物学意义

mtDNA因其独特的复制机制和有限的修复能力，容易积累DNA损伤。尽管mtDNA在细胞内存在多拷贝，但其修复效率较低，导致损伤积累的倾向性高于nDNA。值得注意的是，mtDNA的损伤并不总是伴随突变率的上升，而是更多地表现为DNA拷贝数的减少。这种现象提示，细胞可能通过主动降解或释放受损mtDNA来应对DNA损伤。此外，mtDNA的损伤不仅影响其自身的复制和转录功能，还可能通过与细胞质中的模式识别受体（PRRs）相互作用，触发免疫反应和炎症信号通路。

在mtDNA损伤中，一种重要的类型是8-氧代-7,8-二氢-2’-脱氧鸟苷（8-oxodG），它被认为是氧化性DNA损伤的标志物，并与炎症反应密切相关。然而，除了8-oxodG，研究还发现了一种新的mtDNA损伤形式——GSH-DNA加合物。这种加合物由AP位点经过β-消除反应生成3′-磷酸-α,β-不饱和醛（3′-PUA），随后与谷胱甘肽（GSH）结合形成。GSH通常在细胞中发挥抗氧化作用，通过清除其他有毒的亲电物质，如氧化DNA损伤产物、脂质过氧化物（如丙烯醛和4-羟基-2-壬烯醛）等。然而，GSH-DNA加合物的形成似乎与这一保护机制相悖，其在mtDNA中的高积累提示其可能具有不同的生物学功能。

### GSH-DNA加合物的形成机制

GSH-DNA加合物的形成涉及多种因素，包括AP位点的生成、β-消除反应以及GSH与DNA的相互作用。AP位点可以通过碱基切除修复（BER）或自发脱嘌呤/脱嘧啶反应形成。在这些AP位点上，β-消除反应会生成3′-PUA，随后与GSH发生反应，形成GSH-DNA加合物。研究发现，这种加合物在mtDNA中的积累远高于nDNA，且在不同细胞系中，其浓度可达nDNA的13到300倍。这一结果提示，mtDNA在某些条件下更容易形成GSH-DNA加合物，可能与其独特的结构和修复机制有关。

进一步研究表明，GSH-DNA加合物的形成受到TFAM和多胺的影响。TFAM是一种线粒体DNA包装蛋白，能够与AP位点竞争，抑制GSH与DNA的结合，从而减少GSH-DNA加合物的形成。相比之下，多胺如精胺和亚精胺在细胞质中广泛存在，可能促进GSH-DNA加合物的生成，特别是在TFAM结合较少的区域。这种机制表明，TFAM和多胺在调节GSH-DNA加合物形成过程中起着关键作用。此外，AP位点修复酶如APE1和TDP1也参与这一过程。APE1在烷基化DNA损伤的背景下表现出更强的修复能力，而TDP1则在未受到DNA损伤时对GSH-DNA加合物的积累具有一定的抑制作用。

### GSH-DNA加合物对细胞功能的影响

研究发现，GSH-DNA加合物的积累与某些线粒体蛋白表达水平的变化密切相关。具体而言，GSH-DNA加合物的增加导致线粒体核糖体蛋白和复合体I亚基蛋白的表达下调，而与氧化还原平衡相关的PRDX6蛋白以及与线粒体分裂相关的DNM1L蛋白则表现出上调趋势。这种变化可能反映了细胞在应对mtDNA损伤时的适应性反应。例如，PRDX6作为细胞氧化还原平衡的重要调节因子，其表达增加可能有助于中和因GSH-DNA加合物形成的氧化应激。

此外，分子动力学（MD）模拟揭示了GSH-DNA加合物对DNA结构和TFAM-DNA复合物稳定性的影响。模拟结果显示，GSH-DNA加合物增加了DNA的构象灵活性，使其能够采取多种构象状态。同时，这种加合物可能通过稳定TFAM-DNA结合，增强DNA修复过程中的保护作用。这些发现不仅深化了我们对GSH-DNA加合物在mtDNA中形成机制的理解，也提示了其可能在细胞应激反应中的作用。

### GSH-DNA加合物与炎症反应的关联

由于GSH-DNA加合物在mtDNA中的浓度与8-oxodG相当，而8-oxodG已被证实与炎症反应相关，因此GSH-DNA加合物可能在先天免疫和炎症疾病中发挥重要作用。这一假设得到了实验数据的支持，尤其是在APE1缺失的细胞系中，GSH-DNA加合物的积累与炎症相关蛋白的表达变化显著相关。因此，研究GSH-DNA加合物的生物学功能不仅有助于理解线粒体DNA损伤的修复机制，也为探索其在免疫和炎症疾病中的潜在作用提供了新的视角。

### 修复机制与酶活性的调控

APE1和TDP1是两种关键的DNA修复酶，它们在3′端DNA损伤的处理中扮演重要角色。研究通过基因敲除实验发现，APE1在烷基化DNA损伤条件下对GSH-DNA加合物的积累具有显著的抑制作用，而TDP1则在未受损伤的条件下发挥一定作用。APE1的催化效率高于TDP1，这可能与其更高的蛋白浓度和更强的DNA结合能力有关。此外，APE1的泛素化酶活性可能有助于降解含有GSH-DNA加合物的DNA片段，从而防止其对细胞功能的干扰。

相比之下，TDP1主要参与处理其他类型的DNA损伤，如3′-磷酸-糖醇基损伤，而对GSH-DNA加合物的处理能力有限。因此，APE1在mtDNA损伤修复中可能占据主导地位，特别是在处理烷基化损伤时。这些发现不仅揭示了APE1和TDP1在mtDNA修复中的不同角色，也为理解线粒体DNA损伤的修复机制提供了新的依据。

### 细胞应激与GSH-DNA加合物的相互作用

研究还发现，GSH-DNA加合物的积累并未显著影响细胞的GSH水平或GSH/GSSG比值，这表明细胞可能通过其他机制维持GSH的稳态。然而，某些蛋白质如SLC25A39的表达变化可能反映了线粒体GSH水平的局部变化。SLC25A39是一种GSH转运蛋白，其表达增加可能意味着线粒体中GSH的消耗或运输需求的增加。尽管这一现象在实验条件下并未显著改变整体GSH水平，但其在局部层面的调控仍值得进一步研究。

此外，研究还探讨了GSH-DNA加合物对线粒体功能的影响。例如，线粒体核糖体蛋白和复合体I亚基蛋白的表达下调可能影响线粒体的蛋白质合成和能量代谢，进而导致细胞功能的下降。而PRDX6的表达上调则可能是一种细胞对氧化应激的适应性反应，通过增强抗氧化能力来缓解GSH-DNA加合物带来的潜在毒性。

### 研究的意义与未来方向

本研究不仅揭示了GSH-DNA加合物在mtDNA中的形成机制，还探讨了其在细胞应激和炎症反应中的作用。通过结合定量分析、酶动力学研究和分子动力学模拟，我们获得了关于GSH-DNA加合物如何影响DNA结构和蛋白表达的全面理解。这些发现为探索线粒体DNA损伤的生物学意义提供了新的思路，也为相关疾病的治疗策略提供了潜在的靶点。

未来的研究可以进一步探讨GSH-DNA加合物在不同细胞类型和生理条件下的作用，以及其在炎症性疾病中的具体机制。此外，深入研究TFAM和多胺在调控GSH-DNA加合物形成中的具体作用，以及这些加合物如何影响线粒体功能和细胞稳态，将有助于更全面地理解线粒体DNA损伤的复杂性及其在疾病中的潜在贡献。