導(dǎo)讀

2013年，頂刊《Cell》上發(fā)表了老年學(xué)經(jīng)典綜述《The Hallmarks of Aging》，將端粒的損耗列入衰老9大衰老標識之一，“端粒磨損—>衰老”的概念也因此深入人心[1]。

近日，匹茲堡大學(xué)Patricia L. Opresko教授團隊在生物學(xué)頂刊《Nature》子刊上發(fā)表文章，介紹了可能顛覆大眾對端粒印象的內(nèi)容，一種與氧化應(yīng)激相關(guān)的端粒驅(qū)動衰老的新機制：長度之外，“質(zhì)量”也很重要[2]。

首先我們來復(fù)習(xí)一下端粒吧。

端粒是存在于真核細胞染色體末端的一小段DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，端粒是由短重復(fù)序列（5'-TTAGGG-3'）與shelterin蛋白復(fù)合物一起構(gòu)成的。

那對于細胞DNA來說，端粒就相當于一個“抵傷替身娃娃”，損傷自己為包含重要遺傳信息的DNA提供保護，以確保它的正確復(fù)制；而shelterin則是端粒保護自己的“盾”，讓自己的“承傷血條”能更長一點。

而8oxoG則是端粒這個“保護機構(gòu)”常見的小瑕疵。

8oxoG是DNA的4個組成小元件之一鳥嘌呤（G）的氧化體[3]。本來8oxoG的生成可以說是最微不足道的一個小錯誤，但是抵不住它多呀！鳥嘌呤（G）是最易氧化的堿基，8oxoG是最豐富的。同時，8oxoG最容易發(fā)生的序列正巧是端粒的TTAGGG重復(fù)序列，所以端粒更容易受到8oxoG這種氧化損傷的影響[4]。

圖注：8oxoG由G（鳥嘌呤）氧化形成

一個是微不足道的小損傷，一個保護DNA的“衛(wèi)士”，卻聯(lián)手締造了“衰老慘案”。這項研究驚人發(fā)現(xiàn)，喜歡扎根在端粒的8oxoG的急性產(chǎn)生，足以迅速損害沒有病變的人成纖維細胞和上皮細胞的生長。

從一個堿基的突變，到細胞的“存亡”，正是“千里之堤潰于蟻穴”。讓我們來接下去詳細了解，這個龐大的“蟻穴”是怎么導(dǎo)致衰老的“潰堤”的。

為了更直觀地展示8oxoG“小身體里的大能量”，這篇文章專門構(gòu)建了一種方法，可以在兩種人類細胞上專門誘導(dǎo)8oxoG，而8oxoG也“不負眾望”，“首戰(zhàn)告捷”，致衰顯著。僅僅4天的誘導(dǎo)下，兩種細胞的生長量就降低了超過了40%！

從細胞衰老標識：衰老相關(guān)β半乳糖苷酶增加和核面積增大（這二者均為衰老細胞的經(jīng)典標志）來看，也確定了細胞數(shù)量猛降的“罪魁禍首”：衰老。

圖注：8oxoG“誘導(dǎo)”5分鐘，細胞“折壽”一小半

接下來通過這個細胞模型，本文細細探究了從8oxoG到細胞衰老的全過程。

首先是胞質(zhì)DNA的產(chǎn)生

在8oxoG“誘導(dǎo)”4天后，兩種細胞中都出現(xiàn)了接近3倍的包裹了游離DNA的微核（MN）。這種核DNA的“出逃”雖然不會導(dǎo)致細胞的死亡，但是會激活細胞里衰老相關(guān)分泌表型（SASP）的分泌，開始為炎性衰老悄悄“拱火”。

圖注：8oxoG“誘導(dǎo)”后核DNA的逸散（上）和SASP的產(chǎn)生（下）

其次是局部端粒DDR（DNA損傷反應(yīng)）的激活

作為DDR的兩大標志物，γH2AX（DNA雙鏈斷裂的標識）和53BP1（DNA修復(fù)蛋白）可以評估DNA的損傷程度，而在8oxoG“誘導(dǎo)”下，居然能讓兩種細胞端粒的DDR標記物量增長10倍！8oxoG誘發(fā)端粒DNA損傷反應(yīng)的能力不可謂不強。

圖注：兩種細胞在8oxoG“誘導(dǎo)”后DDR標記物水平大幅上升

最后深扒衰老表象背后的原理：經(jīng)典衰老途徑p53的激活

研究中發(fā)現(xiàn)，8oxoG“誘導(dǎo)”幾分鐘內(nèi)就能激活A(yù)TM/ChK2途徑，繼而激活它下游的p53信號。而不論是ATM還是p53，都有一樣的功能：驅(qū)動細胞的過早衰老，強制停止細胞周期。

圖注：8oxoG能夠激活A(yù)TM及其下游p53

在十倍DDR的強效印象加持下，很多人肯定覺得：端粒一定縮短了很多吧？但是神奇的就是，8oxoG的作用并不在于端粒的縮短，而在于端粒的損傷。

在對端粒進行分析之后發(fā)現(xiàn)，8oxoG“誘導(dǎo)”4天后，雖然細胞“叫苦不迭”，包括核DNA逸散呀，p53激活呀，DDR激增呀……但是！端粒并沒有縮短，傷痕累累的端粒依然堅持著它的長度，不僅如此，端粒上起到保護作用的結(jié)合蛋白shelterin也絲毫沒有受到損害。

圖注：8oxoG對端粒長度并沒有影響

但是，看上去依舊堅挺的端粒實際上卻受了“很重的內(nèi)傷”，不過是“強弩之末”。

8oxoG的廣泛存在會擾亂細胞正常分裂周期。在8oxoG的干預(yù)下，細胞沒辦法在規(guī)定的DNA復(fù)制期時間內(nèi)完成連染色體帶端粒的復(fù)制，因此，細胞被迫在分裂期分擔一點DNA復(fù)制的工作。而有絲分裂途徑被擾亂的后果就是，細胞中顯著增加γH2AX（DNA雙鏈斷裂）病灶。而端粒作為DNA守護者，這些傷害也就大部分落在了它的身上。

端粒傷痕累累，也就造成了實驗結(jié)果中的局面：“金玉”其表，“敗絮”其里。

8oxoG看上去柔柔弱弱沒有什么“攻擊力”，但其實比起“揚湯止沸”，它更喜歡“釜底抽薪”。在外表看不出來的情況下一點點蠶食端粒，出其不意地達到“致衰”的目的。

圖注：“光照”（左）和未處理細胞（右）MiDAS顯著差異（圖中箭頭處）

至此，對于8oxoG、端粒和衰老三者之間的“愛恨情仇”已經(jīng)完完整整地展現(xiàn)在了大家的眼前。

端粒上一點一點積累的微小氧化損傷，終將會成為整個細胞“大廈將傾”的初始動力。這篇文章所提供的“端粒致衰新思路”說不定能在不久的將來成為一個新的切入口，從“氧化應(yīng)激”的角度出發(fā)，研究出更好的端粒相關(guān)延壽干預(yù)策略。

本研究題為《Telomeric 8-oxo-guanine drives rapid premature senescence in the absence of telomere shortening》，發(fā)表于權(quán)威雜志《Nature》旗下子刊《nature structural & molecular biology》。通訊作者為匹斯堡大學(xué)教授Patricia L. Opresko和助理教授Jacob Stewart-Ornstein，Ryan P. Barnes為第一作者。研究由美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)、格倫衰老生物機制研究獎和UPMC希爾曼癌癥中心創(chuàng)新癌癥研究博士后獎學(xué)金(RPB)支持。

—— TIMEPIE ——

參考文獻

[1] López-Otín, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M., & Kroemer, G. (2013). The hallmarks of aging. Cell, 153(6), 1194–1217. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.039

[2] Barnes, R. P., de Rosa, M., Thosar, S. A., Detwiler, A. C., Roginskaya, V., Van Houten, B., Bruchez, M. P., Stewart-Ornstein, J., & Opresko, P. L. (2022). Telomeric 8-oxo-guanine drives rapid premature senescence in the absence of telomere shortening. Nature structural & molecular biology, 29(7), 639–652. https://doi.org/10.1038/s41594-022-00790-y

[3] 吳穎,陳鴻迅,張立奎. 極端嗜熱古菌8oxoG DNA糖苷酶的研究進展[J]. 微生物學(xué)報,2021,61(3):491-500. DOI:10.13343/j.cnki.wsxb.20200226.

[4] von Zglinicki T. (2002). Oxidative stress shortens telomeres. Trends in biochemical sciences, 27(7), 339–344. https://doi.org/10.1016/s0968-0004(02)02110-2