DNA糖苷酶在非癌症疾病中的作用：氧化损伤识别、修复中间体与组织应答

《International Journal of Molecular Sciences》：DNA Glycosylases in Noncancer Diseases: Oxidative Lesion Recognition, Repair Intermediates, and Tissue Responses

　　

中文摘要 非癌组织中的氧化性DNA损伤可干扰转录、损害端粒完整性并削弱线粒体功能。DNA糖苷酶启动碱基切除修复（BER），但其生物学后果还取决于损伤识别、染色质驻留、催化加工以及脱碱基位点和链断裂的持续存在或解决。本综述整合了结构性与动力学证据，并结合炎症、端粒衰老、心脏代谢疾病、神经退行性变及神经损伤的实验模型。启动子相关的8-氧代鸟嘌呤DNA糖苷酶1（OGG1）可根据基因座的不同，要么促进炎症性转录，要么限制抗病毒干扰素的表达。在人成纤维细胞氧化损伤的端粒处，OGG1和mutY DNA糖苷酶（MUTYH）通过修复中间体驱动急性衰老；而在反复损伤过程中，OGG1支持端粒维持，MUTYH依赖的停滞则限制染色体不稳定性。在线粒体中定向表达的OGG1改善了暴露于高脂饮食的OGG1缺陷小鼠的代谢结局。相比之下，与Nei样DNA糖苷酶3（NEIL3）相关的血管和神经表型仍难以归因于某个明确的起始损伤。这些发现强调应区分酶的占据状态、催化加工过程与完成的修复。治疗研究应界定相关的细胞、底物、区室和暴露周期，并在未解决的损伤和染色体稳定性之外直接评估组织功能。

论文主体内容总结

1. 引言

本研究的出发点在于，认为增加氧化性DNA修复必然改善组织功能的观点过于简单化。抑制8-氧代鸟嘌呤DNA糖苷酶1（OGG1）可减少实验系统中的气道炎症性转录，而线粒体靶向的OGG1表达则可保护小鼠免受高脂饮食的多重不良后果。在氧化损伤的端粒处，抑制OGG1和mutY DNA糖苷酶（MUTYH）依赖的修复启动最初可保护人成纤维细胞免于衰老，但持续的损伤却揭示了修复和检查点停滞的保护功能。这些看似矛盾的结果反映了不同的分子扰动，不能简单地沿有益与有害的糖苷酶活性连续谱进行定位。更具启发性的问题是，在每个组织中究竟是哪种分子状态发生了改变，以及起始损伤最终是否得到解决。本综述考察了损伤的可及性、碱基切除和产物释放如何在非癌组织中产生不同的结局。对启动子和端粒的研究表明，在修复完成之前，酶的占据或修复启动即可改变细胞状态。因此，疾病模型的评估需同时考虑因果性损伤和负责的细胞群体，并将短期功能获益与持续应激下的基因组稳定性一并纳入考量。

2. 损伤识别与修复协调

2.1 损伤化学与糖苷酶反应状态

OGG1识别与胞嘧啶配对的8-氧代鸟嘌呤（8-oxoG）并切除氧化碱基，而MUTYH则作用于不同的底物，移除与8-oxoG相对的腺嘌呤，从而在配对环境纠正后留下氧化鸟嘌呤供后续处理。这种分工抑制了氧化诱变，但也意味着一个共同的终点（如8-oxoG负荷的改变）可能掩盖根本不同的起始反应。在调控性DNA和端粒处，这一区别尤为重要，因为修复产生的脱碱基位点或切口可能比原始氧化碱基产生更直接的功能影响。对人MUTYH变体的分析表明，DNA结合、蛋白质完整性和生产性催化可以在实验上被分离。对OGG1的研究则显示，其可通过保守的DNA近端残基对候选碱基对进行协调采样，并且在含损伤的核小体中，OGG1能够在移位并使DNA部分脱离组蛋白核心的同时结合受损DNA。因此，结构性可及性是有条件的，而非由8-oxoG:C对的存在所保证。

2.2 替代性DNA结构与NEIL选择性

NEIL蛋白说明，在同一糖苷酶家族内的分类并不意味着可互换的底物偏好。比较性测定显示，小鼠NEIL3和人NEIL1可处理选定的海因类损伤，而测试的酶无法从四链体结构中切除8-oxoG。DNA拓扑结构和离子条件会影响海因损伤的处理。伙伴蛋白进一步塑造了底物的呈现方式。NEIL2提出了更具体的问题，即捕获的是修复通路的哪个阶段。哺乳动物NEIL2直系同源物与脱碱基位点类似物结合的结构揭示了结构域闭合和一个独特的插入序列接触互补DNA链。生化测定进一步表明，相对于大多数测试的氧化碱基，NEIL2优先处理脱碱基底物，并在单链DNA环境中高效作用。

2.3 修复中间体与通路完成

碱基切除启动的是一个修复通路，而非完成它。OGG1生成的脱碱基位点需要进一步加工，由此产生的DNA不连续性随后必须被填补和连接。双功能糖苷酶还可引入链切割化学反应，生成需要下游酶处理的末端。关于OGG1和NTHL1（亦称NTH1）的结构和计算分析解析了一个保守的催化二元体，并直接可视化了OGG1的产物结合状态。这些中间体结构使一个机制性问题更加清晰：治疗药物是增强碱基去除、促进产物释放，还是同时影响这两个步骤。NTHL1提供了一个特别清晰的例子，说明氧化嘧啶的不完全修复所带来的后果。一项工程化的NTHL1变体保留了糖苷酶活性但表现出显著降低的无嘌呤/无嘧啶（AP）裂合酶活性，其在急性氧化应激下于受损染色质上停留时间更长，并与更持久的脱碱基位点和X射线修复交叉互补蛋白1（XRCC1）病灶相关。

3. 炎症与抗病毒调控

3.1 OGG1启动子占据与炎症性转录

OGG1提供了糖苷酶相关调控状态的最强实验证据。最初的TH5487研究表明，破坏OGG1在富含鸟嘌呤的炎症启动子上的结合可减少诱导性基因表达和小鼠炎症反应。随后的Ogg1 S326C敲入研究在损伤去除和组织应答之间提供了更清晰的分离。在炎症刺激后，该变体经历活性氧（ROS）依赖性二聚化，表现出受损的切除能力，持续与启动子定位的底物结合，并与增加的核因子κB（NF-κB）占据和更持久的气道炎症同时发生。在实验性肺损伤中，OGG1和调控性DNA上的8-oxoG有助于纤维化转录和气道重塑。在肾脏疾病中，OGG1与磷酸化Smad3之间的核内关联被发现，遗传或药理学干预OGG1减轻了小鼠肾纤维化。

3.2 氧化损伤启动子处的干扰素调控

OGG1的统一促炎模型在抗病毒基因座处是不充分的。在呼吸道合胞病毒（RSV）感染的上皮细胞中，OGG1占据了干扰素lambda（IFN-λ2/3）附近氧化的调控性DNA，促进了抑制性p50同源二聚体的结合，并限制了干扰素调节因子3（IRF3）、干扰素调节因子7（IRF7）和RelA的进入。NEIL2在另一个干扰素基因座处提供了一个有用的比较。在RSV感染后，NEIL2被招募到氧化的IFN-β启动子附近，并限制了早期NF-κB依赖的转录。关于氧化鸟嘌呤本身可以独立于OGG1或MUTYH影响转录的证据，为阅读器模型设定了一个重要边界。

3.3 病毒RNA结合与线粒体DNA信号传导

NEIL2还通过一种无法仅由其氧化的IFN-β启动子角色解释的活性来影响感染。在培养细胞中，重组NEIL2与严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）RNA的5'非翻译区结合，减少了病毒蛋白表达和感染性病毒产量。线粒体完整性提供了另一个途径，通过该途径糖苷酶活性可能影响炎症表型。线粒体靶向的OGG1表达与减少的胞质线粒体DNA（mtDNA）、较低的干扰素基因刺激因子（STING）相关应答以及减弱的海马炎症特征相关。

4. 端粒损伤与衰老

4.1 局部端粒损伤与修复相关衰老

端粒提供了一个比全细胞氧化剂暴露更可控的实验环境来检验修复相关损伤。一个工程化的损伤靶向系统优先在端粒处生成8-oxoG，并在人细胞中诱导快速衰老，无需显著的端粒缩短。在人成纤维细胞中，OGG1缺失或抑制以及MUTYH缺陷各自减少了急性衰老，联合缺失后效果更显著。这种反应涉及单链断裂、端粒复制中断和DNA损伤信号传导。

4.2 持续端粒损伤期间的衰老与染色体稳定性

当氧化损伤重复发生时，上述急性拯救的意义发生了变化。在持续的端粒靶向损伤下，OGG1缺陷的成纤维细胞表现出生长受损、端粒脆弱以及缺乏可检测端粒信号的染色体末端。OGG1和MUTYH的联合缺失进一步阐明了持续增殖与基因组稳定性之间的区别。双缺陷的成纤维细胞在重复端粒损伤期间表现出减少的衰老并继续分裂，尽管保留了未修复的氧化碱基。在长期暴露后，这些细胞还显示出增加的染色质桥和胞质DNA。

5. 心脏代谢与神经系统疾病

5.1 NEIL3在血管疾病中的作用与底物不确定性

将NEIL3与血管疾病联系起来的证据始于一个生理学表型，其解释强烈依赖于实验背景。在高脂喂养的Apoe缺陷小鼠中，额外缺失Neil3增加了动脉粥样硬化斑块形成。另一项研究在正常饮食的Apoe缺陷小鼠中发现，Neil3缺失在不改变全身脂质水平的情况下增加了斑块发展。血管平滑肌细胞分析显示增殖增加、脂质积累以及巨噬细胞相关特征的表达。

5.2 代谢表型与线粒体修复

代谢证据对因果推断施加了不同的约束。在一项早期的全身敲除研究中，Neil1缺陷小鼠发展为肥胖、循环脂质异常、肝脂肪变性以及倾向于高胰岛素血症，伴随mtDNA损伤和缺失的增加。对线粒体靶向OGG1的研究缩小了这一因果问题的某一方面。一项2024年的研究使用高胰岛素-正葡萄糖钳夹技术评估了高脂喂养的野生型和Ogg1缺陷雄性小鼠的肝脏胰岛素作用，发现缺陷动物表现出更严重的饮食相关代谢损伤。

5.3 神经退行性变、神经损伤与修复异质性

大脑对修复完成模型施加了独特的约束，因为分裂的神经前体细胞、长寿命神经元和活化的小胶质细胞可能对相同的修复中间体做出不同反应。在一个帕金森毒素模型中，Neil1缺陷增加了黑质纹状体多巴胺能神经退行性变和DNA损伤信号。BER启动的潜在有害后果与修复不足的后果同样重要。一个氧化性脑损伤实验模型确定，MUTYH依赖的8-oxoG加工是神经元退行性变的促成因素。

6. 治疗性调控

6.1 针对明确分子状态的靶向治疗

治疗设计应从识别导致测量表型的分子状态开始。TH5487干扰OGG1与含损伤DNA的结合，已在临床前呼吸系统和纤维化模型中减轻了炎症。OGG1激活代表了一种实验上不同的治疗策略。具有假定别构机制的小分子在体外增加了选定的OGG1反应，并在经受氧化应激的细胞模型中改善了线粒体读数。

6.2 治疗评估与基因组稳定性

干预研究应评估急性衰老以及持续端粒损伤期间的基因组稳定性。急性抑制OGG1或MUTYH依赖的修复启动减少了成纤维细胞中损伤相关的衰老，而持续损伤则揭示了OGG1缺失时的生长受损和MUTYH依赖停滞的稳定作用。循环氧化产物作为唯一的药效学标志物是不够的。尿核苷8-氧代-7,8-二氢-2'-脱氧鸟苷（8-oxodG）在化学上与游离氧化碱基不同，并且这两种测量都无法将损伤定位到启动子、线粒体或端粒。

7. 结论与未来展望

研究人员提出，在非癌症疾病中最具信息量的解释单位是在特定细胞类型和亚细胞区室内定义的损伤-糖苷酶-产物状态。糖苷酶可能与其底物保持结合而不立即切除，而成功的切除可产生修复中间体，其生物学后果取决于后续的通路完成。OGG1 S326C变体通过将减少的切除与延长的启动子占据和增强的炎症输出相结合，体现了这一区别。在端粒处，OGG1和MUTYH依赖的加工促进了急性衰老，而持续的损伤则揭示了修复和检查点停滞在维持染色体稳定性方面的保护作用。