神經(jīng)元中含有大量針對(duì)神經(jīng)元增強(qiáng)子的單鏈DNA斷裂(single-strand breaks, SSBs)，但這種內(nèi)源性損傷的來源尚不清楚。

2022年12月1日，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的André Nussenzweig及吳薇共同通訊在Science雜志在線發(fā)表題為“Active DNA demethylation promotes cell fate specification and the DNA damage response”的研究論文，André Nussenzweig課題組的博士后王東鵬，吳薇（現(xiàn)為中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員）和Elsa Callen為該論文的共同第一作者。

該研究以有絲分裂后的神經(jīng)元和巨噬細(xì)胞為研究體系，發(fā)現(xiàn)DNA主動(dòng)去甲基化對(duì)于增強(qiáng)子激活是必要的，并且解釋了神經(jīng)元和巨噬細(xì)胞增強(qiáng)子上DNA單鏈損傷的來源以及闡述其中的機(jī)制。

在哺乳動(dòng)物基因組中，胞嘧啶的第5位碳原子的甲基化（5-甲基胞嘧啶，5-methylcytosine或5mC）是豐度最高的DNA修飾類型，也被稱為“第5種堿基”。5mC由DNA甲基化酶DNMTs催化，主要富集在CpG島。雖然5mC的分布具有組織特異性，但70-80%的CpG島都具有5mC修飾。5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine或5hmC)，也被稱為第6堿基，由TET1酶氧化5mC而來。5hmC的進(jìn)一步氧化產(chǎn)生5-甲?；奏?5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)。TET在有絲分裂后的神經(jīng)元中高度活躍，在其他體細(xì)胞類型中程度較低。一個(gè)未解決的問題是，復(fù)制無關(guān)的去甲基化在多大程度上有助于細(xì)胞分化和功能。

DNA修復(fù)缺陷導(dǎo)致癌癥易感性和神經(jīng)疾病。盡管所有類型的細(xì)胞都會(huì)導(dǎo)致DNA損傷和突變，但神經(jīng)元對(duì)單鏈斷裂(SSB)修復(fù)缺陷異常脆弱。SSB由XRCC1和PARP(?poly-ADP ribose polymerase)檢測(cè)，它們招募參與DNA末端修飾的因子(polynucleotide kinase 3′-phosphatase, PNKP ;aprataxin, APTX)，DNA間隙填充(POL?β, DNA聚合酶β家族)和連接(DNA連接酶1或3)。這些蛋白質(zhì)是大多數(shù)SSB修復(fù)事件所必需的，通常包括“短補(bǔ)丁”反應(yīng)，其中只有一個(gè)缺失的核苷酸被替換。更罕見的是，使用長補(bǔ)丁子通路，在結(jié)扎前使用擴(kuò)展的DNA合成。然而，長補(bǔ)丁SSB修復(fù)不能完全補(bǔ)償短補(bǔ)丁SSB修復(fù)的損失，這一點(diǎn)可以從神經(jīng)疾病與短補(bǔ)丁修復(fù)所需基因突變的關(guān)聯(lián)中得到證明，如XRCC1、APTX和PNKP。

最近，該團(tuán)隊(duì)與合作者證明，神經(jīng)元中SSB的高活性長補(bǔ)丁合成相關(guān)修復(fù)(synthesis-associated repair, SAR)可以通過加入5-乙基-2 ' -脫氧尿苷(? 5-ethynyl-2′-deoxyuridine, EdU) (SAR-seq)檢測(cè)到。DNA修復(fù)合成和SSBs定位于神經(jīng)元增強(qiáng)子，對(duì)應(yīng)2%的基因組。然而，為什么神經(jīng)元將修復(fù)機(jī)制集中到這些熱點(diǎn)是一個(gè)未解決的問題。此外，內(nèi)源性SSB的來源及其生理相關(guān)性尚不清楚。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用兩種有絲分裂后譜系說明系統(tǒng)——誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞來源的神經(jīng)元和轉(zhuǎn)分化的巨噬細(xì)胞——研究人員發(fā)現(xiàn)胸腺苷DNA糖基化酶(?thymidine DNA glycosylase, TDG)驅(qū)動(dòng)的甲基胞嘧啶被10-11易位酶(translocation enzymes, TET)氧化的切除是SSBs的來源之一。

進(jìn)一步研究表明，盡管巨噬細(xì)胞分化傾向于短斑塊基切除修復(fù)來填補(bǔ)單核苷酸間隙，但神經(jīng)元也經(jīng)常使用長斑塊子通路。通過使用抗腫瘤胞嘧啶類似物破壞這一間隙填充過程會(huì)觸發(fā)DNA損傷反應(yīng)和神經(jīng)元細(xì)胞死亡，這依賴于TDG。因此，TET介導(dǎo)的活性DNA去甲基化促進(jìn)內(nèi)源性DNA損傷，這一過程通常保護(hù)細(xì)胞的身份，但也可能在抗癌治療后引發(fā)神經(jīng)毒性。

結(jié)合這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，確定TDG抑制劑或觸發(fā)DNA損傷反應(yīng)的其他通路成分的抑制劑是否有希望緩解與抗癌藥物治療相關(guān)的一些神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥將是一件有趣的事情。