- DNA 损伤及其与神经元老化和退化的关系
- https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00879-1
一种著名的衰老理论认为：DNA 修复缺陷会导致 DNA 损伤和突变随着年龄增长而逐渐积累。
- 这些突变要么直接破坏蛋白质编码基因，
- 要么通过改变基因调控元件（启动子、增强子等）的序列来扰乱基因表达。
DNA 损伤导致的突变被认为在衰老中起着因果作用？
人们认为神经元还面临着独特的突变威胁：
- 由于神经元代谢率高、5mC 去甲基化率升高、响应神经元活动形成程序性 DSB 以及缺乏无错误的 HR 修复。
然而，最近使用单细胞全基因组测序分析全基因组体细胞 SNV (sSNV) 和插入/缺失的研究表明，神经元积累体细胞突变的速度与分裂组织相似甚至更低。
尽管如此，许多研究中的突变分析已经确定了一个单碱基替换 (SBS) 特征 SBS5，其主要特征是 C>T 和 T>C 替换，其随年龄增长而线性增加（类似时钟），被认为是基因组衰老的固有特征，尽管其病因尚不清楚。
这表明氧化性DNA 损伤可能不是与年龄相关的突变积累的重要来源：
虽然氧化性DNA损伤通常被认为是与年龄相关的突变的重要来源，但最近的研究表明，其他机制可能在神经元突变积累中起更重要的作用。
神经元中的突变积累模式是否可以解释与衰老和神经退行性相关的表型？
- 虽然突变确实会随着年龄的增长和神经退行性疾病的发生而积累，
- 但 DNA 损伤引起的突变与衰老和神经退行性疾病相关表型之间的因果关系尚不清楚。
下面讨论来自DNA本身结构的其他损伤可能是衰老和神经退行性疾病更主要原因：
DNA 缠绕如何形成 3D 染色体组织？
真核生物的染色体在细胞核内高度组织和折叠。在基本层面上，DNA 缠绕在核小体的组蛋白八聚体上。
真核生物的染色体在细胞核内确实高度组织和折叠，但这种组织方式不仅仅是DNA缠绕在核小体上的简单结构。核小体的形成只是染色体组织的最基础层次，而染色体的3D组织是一个多层次、高度动态的复杂过程。以下是染色体组织的几个关键层次：
1. 核小体层次（基础层次）
- DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成核小体，每个核小体由约147个碱基对的DNA缠绕1.65圈。
- 核小体像“串珠”一样排列，形成染色质的基本单位。
- 这一层次主要实现了DNA的一级压缩，但还不属于3D组织。
2. 染色质纤维层次（30 nm纤维）
- 核小体进一步折叠成更紧密的结构，形成直径约30纳米的染色质纤维。
- 这种纤维的形成依赖于组蛋白H1和其他染色质结合蛋白的参与。
- 这一层次实现了DNA的二级压缩，但仍然不是完全的3D组织。
3. 染色质环和拓扑相关结构域（TADs）
- 染色质纤维进一步折叠成环状结构（chromatin loops），这些环将基因调控元件（如增强子）与目标基因拉近，促进基因表达调控。
- 染色质环被组织成更大的单元，称为拓扑相关结构域（Topologically Associating Domains, TADs）。TADs是染色体3D组织的重要功能单元，内部相互作用频繁，而不同TAD之间的相互作用较少。
- 这一层次是染色体3D组织的关键部分，涉及多种蛋白质（如CTCF和黏连蛋白cohesin）的参与。
4. 染色体区室（Chromosome Compartments）
- 在更大的尺度上，染色质被分为活跃区室（A compartment）和非活跃区室（B compartment）。
- A区室富含活跃转录的基因，染色质结构较为松散。
- B区室富含沉默的基因和异染色质，结构较为紧密。
- 这种区室化进一步影响了染色体的空间排布和功能。
5. 染色体领土（Chromosome Territories）
- 在细胞核内，每条染色体占据特定的空间区域，称为染色体领土。
- 不同染色体之间的相互作用有限，但某些功能相关的基因可能跨越染色体领土边界进行相互作用。
- 这一层次反映了染色体在细胞核内的全局3D组织。
DNA缠绕在核小体上只是染色体组织的最基础层次，而染色体的3D组织是一个多层次的过程，包括染色质纤维、染色质环、TADs、染色体区室和染色体领土等。
3D 染色体组织影响 DNA 损伤复
那么，这种3D 染色体组织如何影响 DNA 损伤信号和修复，以及 DNA 损伤如何反过来改变染色体高级组织，并可能不仅影响基因活性，还影响疾病状态的发展。
虽然未修复的 DNA 损伤会阻碍细胞过程（例如转录）或通过扰乱染色质组织来影响基因活动，但最近的报告表明，某些 DDR 因子（特别是 SSB 和 DSB 修复因子 PARP1）的过度激活本身是神经退行性疾病的强大驱动因素。
证据表明高水平 PARP1 活性具有毒性影响，部分是通过NAD +耗竭产生的：
- 因为外源性 NAD +的施用可降低 Aβ 引起的原代大鼠皮质神经元毒性作用。
- 类似：在 3xTgAD 小鼠神经退行性疾病模型中也检测到了NAD + 的减少，
- 而通过烟酰胺核糖苷治疗使 NAD +正常化可减轻Tau 病理，同时减少 DNA 损伤并改善认知功能。
虽然我们迄今为止的讨论主要集中在 DNA 损伤的细胞自主效应上，但新的证据表明，神经元内 DNA 损伤的形成可引发其他细胞（尤其是小胶质细胞）的反应。
内源性DNA损伤
神经元由于其长寿命和高代谢活性，容易积累DNA损伤。除了外源性因素（如氧化应激、辐射等），一些内源性生理过程也会导致DNA损伤：
1、DNA去甲基化
DNA甲基化是表观遗传调控的重要机制，而DNA去甲基化是一个主动过程，涉及碱基的化学修饰。
- DNA甲基化通常与基因沉默相关，特别是在基因启动子区域的甲基化会抑制转录；去甲基化可以解除这种抑制，重新激活特定基因的表达。
- DNA甲基化是一种对环境信号（如营养、压力、激素等）敏感的调控机制；去甲基化可以帮助细胞快速响应环境变化，调整基因表达模式。
- DNA甲基化可以作为一种“表观遗传记忆”，记录细胞的历史状态。去甲基化可以清除这些记忆，使细胞进入新的状态。
去甲基化的关键步骤：
- TET酶介导的5-甲基胞嘧啶（5mC）氧化生成5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）。
- 这一过程可能产生中间产物（如5-甲酰胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶），
- 这些产物如果不被及时修复，可能导致DNA链断裂或碱基损伤。
神经元中5hmC的含量较高，因此去甲基化相关的DNA损伤风险也较高。
2、拓扑异构酶活性
拓扑异构酶（Topoisomerase）是调节DNA超螺旋状态的关键酶，通过暂时切断DNA链来缓解扭转应力。
在催化过程中，拓扑异构酶会形成共价连接的DNA-酶中间体（称为“切割复合物”）。如果这些中间体不能正常解离，会导致DNA双链断裂（DSBs）。
神经元在转录和复制过程中依赖拓扑异构酶，因此容易受到此类损伤的影响。
3、转录相关损伤
神经元是高转录活性的细胞，转录过程中RNA聚合酶可能与DNA损伤位点碰撞，导致转录-复制冲突或R环（R-loops）的形成，从而引发DNA损伤。
此外，活跃转录的基因区域更容易受到氧化损伤的影响。
较新的研究表明，神经元活动也会以程序化的方式导致 DNA 损伤的形成，这随后需要更积极地参与 DNA 修复机制。这些损伤源是否与衰老和神经退化有关是一个活跃的研究课题。