对circDDRC加剧镉诱导的DNA损伤的机制阐释：通过吸附miR-199a-5p来靶向PTEN并抑制PI3K依赖的同源重组修复

《Chemico-Biological Interactions》：Mechanistic insight into circDDRC aggravated Cadmium-Induced DNA Damage: sponging miR-199a-5p to target PTEN and suppress PI3K-dependent homologous recombination repair

　　

摘要

镉（Cd）是一种广泛存在于环境中的致癌物，它通过多种机制促进肺部致癌作用，包括诱导氧化应激和损害DNA修复功能。尽管环状RNA（circRNAs）作为基因组稳定性的关键调节因子日益受到重视，但它们在重金属诱导的DNA损伤中的作用仍不完全清楚。在本研究中，我们发现了一种新的环状RNA，将其命名为circDDRC（由镉介导的DNA损伤调节因子），并通过职业队列分析、体内动物模型和体外细胞实验验证了其与DNA损伤的显著关联。在暴露于镉的大鼠肺组织和人支气管上皮细胞（16HBE）中，circDDRC的表达显著上调，并加重了DNA损伤。机制上，circDDRC通过与miR-199a-5p相互作用来调控PTEN的表达并调节PI3K信号通路。这些分子变化可能干扰与DNA损伤相关的反应级联反应，从而加剧镉诱导的DNA损伤。值得注意的是，在暴露于镉的工人中，circDDRC的表达水平与尿液中的镉含量以及血液中的γ-H2AX（一种DNA损伤生物标志物）呈强正相关，这表明它具有作为镉基因毒性的早期分子生物标志物的潜力。这一发现突显了环境致癌物与表观遗传调节因子在疾病发生中的关键相互作用。

引言

镉（Cd）是一种持久且剧毒的重金属，在环境基质中普遍存在，并具有明显的生物累积倾向，对生态系统稳定性和人类健康构成重大威胁。世界卫生组织（WHO）和国际癌症研究机构（IARC）将镉列为I类致癌物（Fanfani等人，2024年；Mar?n等人，2018年）。长期低剂量和急性高剂量的镉暴露都可能导致多器官系统的毒性（Liu等人，2019年；Ibiwoye等人，2019年）。在镉的多种致病机制中，DNA损伤已被认为是其引发突变、细胞凋亡和致癌作用的核心因素。流行病学研究定量证实了职业性镉暴露与基因毒性生物标志物升高的强烈相关性，强调了其在持续性DNA损伤中的作用（Nagaraju等人，2022年，2022年）。实验证据进一步支持这一关联，表明镉暴露可触发哺乳动物模型中的表皮增生、DNA链断裂、促炎反应和细胞凋亡（Hadjadji等人，2025年）。尽管取得了这些进展，但调控镉诱导的DNA损伤修复的分子机制仍不甚明确。

DNA损伤的逐渐累积成为环境因素与疾病发生之间的关键分子纽带，推动了多种严重疾病的进展。为了保护基因组的完整性，细胞采用了复杂的DNA损伤响应（DDR）系统（Carusillo等人，2020年；Li等人，2023年），该系统通过两种互补策略发挥作用：（1）激活精确的DNA修复途径（Groelly等人，2023年）；（2）当损伤无法修复时实施损伤耐受机制（Prakash等人，2022年）。双链断裂修复（DSBR）是DDR的核心，主要通过同源重组（HR）和非同源末端连接（NHEJ）来维持基因组稳定性（Tan等人，2023年，2023年）。NHEJ在整个细胞周期中以相对较低的保真度运作，而HR仅限于S/G2期，并利用完整的同源模板进行高保真度的DSB修复。由于镉诱导的基因毒性通常发生在增殖的支气管上皮细胞的DNA复制过程中，因此HR相关信号通路的损伤与持续的基因组不稳定密切相关。因此，本研究重点关注了与HR相关的分子反应（Tian等人，2025年；Liang等人，2026年）。HR信号传导的缺陷会促进基因组不稳定，这是镉诱导的支气管上皮细胞恶性转化的关键事件。这些修复机制的失调与癌症发生、衰老相关衰退及多种遗传疾病密切相关。新兴证据表明它们具有治疗意义——例如，PKI-587通过抑制HR和阻断PI3K/AKT/mTOR通路增强肝细胞癌对奥沙利铂的化疗敏感性（Li等人，2024年）。同样，SMYD2的抑制可促进Ku70的甲基化降低，从而促进NHEJ介导的修复，但同时会减弱抗肿瘤免疫（Tang等人，2023年）。

环状RNA（circRNAs）是一类功能独特的非编码RNA，因其独特的结构稳定性和在各种生物过程中的持续调节能力而受到广泛关注（Dong等人，2023年；Ding等人，2023年）。最新研究表明，circRNAs通过多种分子机制在DNA损伤修复中发挥精确的调节作用，包括调控DNA损伤相关基因的表达、与关键DNA修复蛋白相互作用以及调节损伤引起的细胞周期检查点激活（Qiu等人，2022年；Zhang等人，2023年，Zhang等人，2023年；Xiao等人，2021年）。值得注意的是，circRNAs动态调节HR-NHEJ之间的平衡，对基因组稳定性具有关键影响。例如，由RNA结合蛋白BCAS2调控的circ_002363通过促进NHEJ修复来减轻二氧化钕纳米颗粒引起的DNA损伤（Liu等人，2023年）。circCDYL2通过促进RAD51的翻译启动，增强了鼻咽癌对放疗的抵抗性，从而增强了同源重组修复（Qu等人，2024年）。然而，circRNAs在肺组织中调节镉诱导的DNA损伤的分子机制仍不完全清楚。鉴于表观遗传调控与环境致癌作用之间的潜在相互作用，阐明这一机制至关重要。

在这里，我们提出了新的证据，证明circDDRC通过三种关键机制加剧镉诱导的DNA损伤：竞争miR-199a-5p的结合位点、抑制PTEN介导的PI3K信号通路以及破坏HR修复途径。这些突破性结果揭示了一种新的环状RNA调控的重金属基因毒性机制，具有潜在的诊断和治疗意义。

章节摘录

动物与镉的呼吸暴露

我们从SPF Biotechnology Co.获取了8-10周大的雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠。实验组接受了单次气管内注射：实验组的大鼠接受了浓度为2 mg/kg体重的CdCl2（Sigma，美国；7440-43-9），注射量为2 mL/kg（溶解在无菌生理盐水中），而对照组接受了等量的无菌生理盐水。完全麻醉后，每只大鼠被妥善固定，然后缓慢注射准备好的溶液。

镉在大鼠肺组织中引发的时间依赖性DNA损伤反应

Sprague-Dawley大鼠暴露于镉后表现出时间依赖性的肺毒性，表现为肺器官系数显著升高（图S1A）。镉在肺组织中累积，而血清中的镉含量降低，表明其在肺部有高效的滞留（图1A，B）。HE染色显示，7天暴露组的大鼠初始出现支气管周围淋巴细胞浸润，14天时出现肺泡出血渗出物，而28天暴露组则表现出肺泡结构紊乱。

讨论

镉通过多种机制促进肺癌的发生和发展，包括氧化应激、DNA修复抑制、表观遗传失调和异常信号通路激活（Xu等人，2024年；Li等人，2023年，2023年，Li等人，2023年；Qiu等人，2023年；Wang等人，2025年；Lu等人，2025年）。其中，DNA损伤是镉诱导的致癌作用的核心驱动因素。作为一类重要的非编码RNA调节因子，circRNAs直接参与……

结论

我们的研究表明，circDDRC是镉诱导的DNA损伤的关键调节因子，它将环境致癌物暴露与肺部癌变中失调的DNA修复机制联系起来。通过整合职业队列分析、体内模型和体外验证，我们发现了一个潜在的circDDRC/miR-199a-5p/PTEN调控通路，该通路可能参与镉诱导的DNA损伤反应，损害HR修复并加剧基因组不稳定。

作者贡献声明

Haili Yu：软件、方法学、研究。Yali Wang：验证、方法学、研究、概念化。Yuting Dong：软件、方法学、数据管理。Yueqing Shao：写作——初稿撰写、软件使用。Lihua Huang：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。Yanshu Li：写作——审稿与编辑、监督、数据管理。

未列出

Mar?n等人，2018年；Xu等人，2024年；Satarug等人，2024年

未引用文献

Hu等人，2024年；Kim等人，2018年；Satarug等人，2023年；van de Kooij等人，2024年

伦理声明

所有参与者或其法定代表均已签署书面知情同意书，同意参与本研究并发表相关文章。参与者的隐私权得到尊重。

本研究遵循进行研究所在地的相关法律、监管框架和指南进行。本研究已获得包头医学院伦理委员会的批准（批准编号：2021-005）。

本研究符合ARRIVE（动物实验）准则进行。

数据可用性

数据可根据请求提供。

数据可用性声明

本研究生成的数据可向相应作者索取。

伦理声明

实验程序已获得包头医学院动物护理和使用委员会的批准（批准编号：2023-18）。所有动物处理、护理和实验操作均严格遵守ARRIVE准则和国家级实验室动物护理和使用指南。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号82373624和82574146）和汕头大学科学研究启动基金（编号NTF25006T）的支持。

资助声明

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号82574146和82373624）和汕头大学科学研究启动基金（编号NTF250067）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报道工作的财务利益或个人关系。

Yali Wang | Haili Yu | Yueqing Shao | Yuting Dong | Yanshu Li | Lihua Huang汕头大学公共卫生学院，中国汕头515063