神經細胞如何進行DNA損傷修復過程

責編 | 兮

神經細胞是人體內壽命最長的有絲分裂後體細胞， 它們不進行DNA複製，只能依靠DNA修復機制來維持基因組保真度。這些修復機制隨著年齡的增長而下降，可以導致基因組功能受損，引起認知能力下降和神經退行性疾病。然而

目前對於神經細胞的基因組不穩定性以及是如何進行修復的知識仍然非常有限。

2021年3月25日，美國國立衛生院癌症研究中心 （NIH/NCI）

André Nussenzweig

課題組，國家神經疾病與中風研究所 （NIH/NINDS）

Michael Ward

課題組和英國薩塞克斯大學

Keith W. Caldecott

教授合作在

Nature

以Accelerated Article Preview形式發表了題為

Nature

的文章來嘗試回答以下幾個問題：

Neuronal enhancers are hotspots for DNA single-strand break repair

作者利用成熟神經細胞新合成的DNA主要來源於DNA修復過程的特徵（大部分的DNA修復過程都需要切除損傷的鹼基和重新合成的步驟）新開發了名為SAR-seq（DNA synthesis associated with repair）的高通量測序技術：首先，將iPS細胞誘導分化的神經細胞與胸腺嘧啶核苷類似物EdU （5-乙炔基-2’脫氧尿嘧啶核苷） 共培養後，EdU會摻入新合成的DNA片段中，然後利用生物素親和素反應捕獲這些片段進行測序，從而獲得DNA修復事件

Neuronal enhancers are hotspots for DNA single-strand break repair

。

圖1

令人意外的是，

是否能夠檢測神經細胞內源的DNA損傷修復過程，定位它們在基因組上什麼位置，損傷的型別是什麼，是如何被修復的以及來源。

。接著，作者透過DNA損傷響應相關蛋白修飾訊號多聚ADP糖基化（poly（ADP-ribose），PAR）ChIP-seq， DNA單鏈斷裂修復相關蛋白 XRCC1 ChIP-seq和André Nussenzweig課題組之前開發的高通量檢測DNA雙鏈斷裂的技術END-seq

（圖1）

等發現SAR-seq與

他們發現新合成的DNA並不在基因組隨機分佈，而是在特定位置出現峰值，且富集在神經細胞的增強子而非啟動子區，並與增強子標記相關

（single strand breaks，

【1】

）損傷相關，而不是DNA雙鏈斷裂損傷（double strand breaks， DSBs）。為了進一步直接檢測SSBs，作者開發了ddN S1 END-seq在單核甘酸水平捕獲SSBs，並發現SSBs位點和SAR-seq有很好的重合。

SSB修復的主要通路為鹼基切除修復（Base excision repair， BER），根據新合成核苷酸鏈的長度不同，又可以分為短補丁（1 nt）和長補丁兩個途徑（>1 nt）。然而，有趣的是，敲降短補丁DNA單鏈斷裂修復通路依賴的蛋白PARP1， XRCC1以及DNA聚合酶β並沒有降低DNA合成訊號，反而增加了DNA合成訊號。由此，作者推測SAR-seq檢測的是長補丁修復過程中合成的DNA：在正常情況下，神經細胞中SSBs同時可被短補丁或長補丁途徑修復，然而當短補丁途徑無法完成時，長補丁途徑會成為主要的修復通路，因此增強了SAR-seq訊號。當作者抑制負責長補丁修復的DNA聚合酶ε 和δ，發現可以降低SAR-seq訊號

DNA單鏈斷裂

。

最後，作者透過SSBs位點C/G富集的鹼基特徵和5hmC/5fC-Seal推斷出，

SSBs

圖2

總的來說，

（圖2）

André Nussenzweig課題組博後

活躍的DNA去甲基化過程中產生的氧化應激損傷可能是神經細胞中SSBs的潛在來源。

，NIH-牛津劍橋專案博士生

該文章透過開發新的技術發現增強子是神經細胞的SSBs熱點，給出了DNA SSB修復為何對神經細胞發育和衰老至關重要的可能解釋，為神經退行性疾病的研究和治療提供了新的思路。

和Michael Ward 課題組博後

吳薇

為該文章共同第一作者。該工作也得到了課題組其他成員及NIH

William J. Nathan

課題組，

Sarah E. Hill

研究員，

Rafael Casellas

研究員，

陳崇毅

戈凱

研究員，

P

研究員，

aul Meltzer

博士，

Yves Pommier

研究員，

孫逸倫

研究員，拉荷亞免疫研究所

Sergio Ruiz

o教授， 西班牙龐培法布拉大學

Samuel Wilson

教授，日本京都大學

Anjana Ra

副教授和比利時哈瑟爾特大學

Nuria Lopez-Bigas

教授的大力協助。

Andres Canela

David Wilson III

原文連結：

1。 Canela， Andres， et al。 “DNA breaks and end resection measured genome-wide by end sequencing。”

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03468-5

63。5 （2016）： 898-911。