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为探究 DNA 单链断裂修复缺陷相关神经疾病机制，研究人员以斑马鱼为模型，开展 XRCC1 与 PARP1 在小脑发育中作用的研究。发现 xrcc1 敲低致小脑板发育异常，parp1 敲低可挽救该缺陷，为相关神经疾病治疗提供新方向。
在生命的精密运转中，DNA 时刻面临着来自内外环境的损伤挑战，其中 DNA 单链断裂（SSB）是细胞中最常见的 DNA 损伤类型之一。这些损伤若不能及时修复，可能引发严重后果，诸多遗传性疾病便与 DNA 单链断裂修复基因的突变密切相关，如脊髓小脑性共济失调常染色体隐性 26 型（SCAR26），其病因是 XRCC1 基因发生突变。XRCC1 作为 DNA 单链碱基修复中的核心支架蛋白，在 DNA 修复过程中起着关键作用。PARP1 则是一种能检测到 SSB 并被其激活的蛋白，它会招募 XRCC1 到损伤位点，同时 XRCC1 对 PARP1 具有负调控作用，以防止其过度结合和激活，避免产生如 NAD + 辅因子过度消耗、代谢功能障碍等毒性后果。然而，XRCC1 缺失会导致 PARP1 在 SSB 位点毒性积累和过度激活，进而引发碱基切除修复缺陷，这很可能是 SCAR26 患者病理变化的潜在机制。但此前，这一关系在其他动物物种中的体现尚不明确，因此开展相关研究具有重要意义。
为了深入探究这一科学问题，美国国立儿童健康与人类发展研究所（Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development）的研究人员以斑马鱼为研究对象，开展了一系列实验。他们通过基因编辑等手段，研究了 xrcc1 和 parp1 基因缺失对斑马鱼小脑发育的影响，旨在揭示 PARP1 在 XRCC1 突变导致的神经发育缺陷中的作用，为相关神经疾病的治疗寻找新的靶点和思路。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：运用 CRISPR 技术，设计多组向导 RNA（gRNA），构建 xrcc1 和 parp1 基因敲低的斑马鱼 G0 代突变体（crispants），并通过 CRISPRstat 技术检测基因编辑效率；利用 RNA 测序（RNA-seq）技术，分析 xrcc1 敲低斑马鱼头部组织的基因表达谱，筛选差异表达基因；借助脑形态计量学方法，通过 confocal 显微镜对转基因斑马鱼进行全脑成像，结合弹性配准技术与斑马鱼脑图谱对比，精确分析脑结构和体积的变化；采用实时定量 PCR（RT-qPCR）技术，验证 tp53 等基因的表达水平变化。
结果
- xrcc1 敲低影响斑马鱼小脑板发育：研究人员通过注射多组高效 gRNA 成功构建了 xrcc1 crispants。尽管 xrcc1 敲除斑马鱼在幼虫早期发育阶段总体外观正常，行为学检测也未发现明显异常，但 RNA-seq 结果显示，tp53 基因表达显著上调，表明其呈现出与哺乳动物模型类似的关键表型。脑形态计量学分析发现，xrcc1 crispants 的小脑板外侧部分（LCeP）体积显著减小，该区域与神经发育相关基因 en1b 表达区域有较强重叠，而成熟神经元标记物 elavl3:nls-GFP 和神经祖细胞标记物 sox2 在该区域表达较低。
- parp1 敲低挽救 xrcc1 突变体的小脑缺陷：单独敲低 parp1 对斑马鱼神经发育无显著影响。然而，当同时敲低 xrcc1 和 parp1 时，xrcc1 突变体中缩小的 LCeP 体积恢复至接近正常水平，表明 parp1 缺失可挽救 xrcc1 突变导致的小脑板发育不良。此外，RT-qPCR 结果显示，xrcc1 敲低导致的 tp53 表达升高在双敲除个体中得到部分抑制，说明 PARP1 缺失减弱了 xrcc1 敲低引发的 DNA 损伤反应。
结论和讨论
本研究通过斑马鱼模型证实，XRCC1 缺失会导致小脑板局部发育不良，而 PARP1 缺失能够挽救这一缺陷。这一发现不仅在斑马鱼中验证了 XRCC1 与 PARP1 在 DNA 修复和神经发育中的相互作用，也为 SCAR26 等 XRCC1 相关神经疾病的发病机制提供了新的见解。研究表明，PARP1 的过度激活是 XRCC1 缺失导致神经毒性的关键因素，抑制 PARP1 活性可能成为治疗此类疾病的潜在策略。尽管目前临床使用的 PARP 抑制剂因具有 “诱捕” 酶并导致细胞毒性的副作用，尚不适合直接用于神经疾病治疗，但本研究为开发非诱捕性、能穿越血脑屏障的新型 PARP 抑制剂提供了理论依据。此外，研究中发现的 xrcc1 敲低斑马鱼晶状体蛋白表达上调等现象，提示晶状体可能作为 DNA 损伤反应的 “哨兵”，为进一步研究 XRCC1 在氧化应激和蛋白质损伤修复中的作用提供了新线索。该研究成果为神经退行性疾病和 DNA 修复缺陷相关疾病的治疗开辟了新的研究方向，具有重要的科学意义和临床转化潜力。
