抗生素诱导α卫星DNA过表达并伴随表观遗传变化：基因组稳定性面临新挑战

为解决抗生素对非编码区基因组稳定性的影响问题，研究人员开展抗生素诱导人α卫星DNA转录调控机制研究，发现遗传霉素(geneticin)、潮霉素B(hygromycin B)和利福平(rifampicin)在标准浓度下均能诱导α卫星DNA过表达（最高达4.9倍），并伴随异染色质组蛋白标记H3K9me3减少和H3K18ac增加。该研究揭示抗生素使用可能通过表观遗传调控影响基因组稳定性，对细胞培养研究和临床抗生素应用具有重要警示意义。

　　

在现代生物学研究和医学实践中，抗生素已成为不可或缺的工具——从细胞培养中的污染防控到临床感染的药物治疗。然而，这些看似安全的化合物背后隐藏着一个未被充分认知的风险：它们可能直接影响人类细胞的基因组稳定性。近年来研究发现，抗生素除了靶向细菌外，还能影响真核细胞的基因表达和表观遗传调控，但对其在非编码基因组区域，特别是与染色体稳定性密切相关的卫星DNA方面的影响仍知之甚少。

卫星DNA是串联重复序列，主要聚集在染色体的着丝粒和副着丝粒区域。这些序列的转录对环境因素高度敏感，已成为基因组不稳定的潜在来源。当卫星DNA转录失控时，可能导致复制与转录叉的碰撞、二级结构形成以及细胞毒性DNA-RNA杂交体（R-loop）的产生。因此，严格调控着丝粒和副着丝粒区域的转录对于维持基因组稳定性至关重要。

在这项发表于《Epigenetics & Chromatin》的研究中，Ljubic等人深入探讨了常用抗生素对人类主要卫星DNA——α卫星DNA转录的影响及其表观遗传调控机制。研究人员选择了几种代表性抗生素：遗传霉素和潮霉素B（细胞培养中常用的选择剂）以及利福平（临床治疗细菌感染的常用药物），并在标准浓度下处理了三种人类细胞系：胶质母细胞瘤A-1235、宫颈癌HeLa和 immortalized成纤维细胞MJ90hTERT。

研究采用的主要技术方法包括：RT-qPCR分析α卫星DNA转录水平、染色质免疫沉淀(ChIP)检测组蛋白修饰变化（H3K9me3、H3K18ac和H3K4me2）、免疫荧光分析全基因组组蛋白修饰水平。所有实验均使用经过验证的特异性引物，确保仅检测串联排列的α卫星重复序列。

Alpha satellite DNA transcription after antibiotic treatment

研究人员发现所有测试的抗生素都能诱导α卫星DNA的过表达，但不同细胞系的响应程度存在差异。在HeLa细胞中，遗传霉素(400μg/ml)处理使转录水平增加4.9倍，潮霉素B(50μg/ml)增加3.1倍，利福平(82μg/ml)增加1.5倍。在A-1235细胞中，利福平(82μg/ml)效果最显著，使转录增加3.0倍，且存在剂量依赖性效应——41μg/ml和82μg/ml利福平分别使转录增加1.8倍和3.0倍。在MJ90hTERT成纤维细胞中，较高浓度的遗传霉素(600μg/ml)诱导1.9倍转录增加。此外，其他五种原核抗生素（阿莫西林、氨苄青霉素、头孢吡肟、头孢呋辛和链霉素）也 consistently诱导了α卫星DNA的过表达。

H3K9me3, H3K18ac and H3K4me2 levels at alpha satellite repeats after antibiotic treatment

表观遗传分析显示，抗生素诱导的α卫星DNA过表达伴随着异染色质特异性组蛋白修饰的显著变化。在HeLa细胞中，遗传霉素(400μg/ml)处理使串联排列的α卫星阵列的H3K9me3水平降低2.1倍，但在散布于基因内含子中的α重复序列中未发现显著变化。A-1235细胞经利福平(82μg/ml)处理后，串联α卫星重复的H3K9me3水平也降低2.0倍。MJ90hTERT细胞经遗传霉素(600μg/ml)处理后，不仅H3K9me3降低2.1倍，同时H3K18ac（异染色质转录激活的特征性标记）增加2.3倍。所有测试条件下，H3K4me2（开放染色质的标记）在串联或散布的α重复序列中均未发生显著变化。

H3K9me3, H3K18ac and H3K4me2 levels genome-wide after antibiotic treatment

全基因组组蛋白修饰分析揭示了细胞类型特异性的响应模式。HeLa细胞经遗传霉素(400μg/ml)处理后，H3K9me3全基因组水平增加2.03倍，H3K18ac轻微增加1.19倍，而H3K4me2降低1.45倍。MJ90hTERT细胞经遗传霉素(600μg/ml)处理后，H3K9me3和H3K18ac分别增加1.86倍和1.27倍，H3K4me2无显著变化。A-1235细胞对利福平(82μg/ml)的响应则完全不同：H3K9me3轻微变化(1.08倍)，H3K18ac降低2.38倍，H3K4me2增加1.33倍。这些结果表明，抗生素对染色质的影响具有细胞类型、抗生素种类和浓度依赖性。

本研究系统揭示了抗生素对人类卫星DNA转录及其表观遗传调控的深远影响。研究发现，多种常用抗生素在标准浓度下都能诱导α卫星DNA的显著过表达，这种过表达与异染色质特异性组蛋白修饰H3K9me3的减少和H3K18ac的增加密切相关。这些表观遗传变化不仅发生在卫星DNA阵列，还扩展到全基因组范围，且具有细胞类型和抗生素特异性。

该研究的发现具有多重重要意义：首先，为细胞培养研究提供了重要警示，提示使用抗生素可能无意中改变细胞的表观遗传状态和基因组稳定性，进而影响实验结果的可靠性；其次，对临床抗生素使用具有启示意义，表明抗生素可能通过调控卫星DNA转录影响宿主基因组稳定性；此外，研究为理解卫星DNA的转录调控机制提供了新见解，表明H3K9me3和H3K18ac在应激诱导的卫星DNA表达中起关键作用。

研究人员建议，在使用抗生素进行细胞培养研究时应更加谨慎，充分考虑其对表观遗传和基因组稳定性的潜在影响。未来研究需要进一步探索抗生素诱导卫星DNA过表达的具体分子机制及其对细胞生理和基因组完整性的长期影响，特别是在癌症发展和衰老过程中的潜在作用。这项研究为我们重新评估抗生素在科研和医疗中的使用提供了重要的分子依据。