《Cell》新文赏读｜细胞质DNA：来源、功能以及在衰老和疾病中的作用

前言 /               

从本月起，公众号将每月选取一篇刊载于生命科学顶级期刊《Cell》的文章与大家共同赏读，所选文章类型可能为综述或研究文章，意在以最新研究为支点，共同探究生命科学的奥秘。

细胞王国·作者/ River Ning

 

环境科学与工程-博士

对探究生命科学具有浓厚的兴趣

《细胞质DNA：来源、功能以及在衰老和疾病中的作用》一文总结了内源性细胞质DNA的形成机制、功能范围和对疾病的影响，重点探究了不同细胞DNA之间的异同、它们形成和功能的潜在分子机制、细胞DNA通路之间的相互作用以及治疗年龄相关疾病的机会。

内源性细胞质DNA（cytoDNA）是无菌炎症的促成因素，能够错误地激活细胞对外源性DNA刺激激活的细胞反应，对DNA进行警报和破坏，即在没有病原体感染的炎症情况下。这与许多慢性年龄相关疾病有关，包括癌症、心血管疾病和神经退行性疾病。而这些免疫功能改变，包括无菌性炎症，被认为是衰老过程的标志，有时也被称为“炎症性衰老”。

本文主要关注四种内源性细胞DNA ：微核、细胞质染色质片段、线粒体DNA和逆转录转座子。

微核（MN）

微核 (MN) 是细胞质中的核膜包裹的完整染色体或染色体片段，与细胞核分离，一般由有丝分裂缺陷，包括有缺陷的中期着丝粒-着丝粒组装或后期缺陷，以及DNA错误修复形成造成。有丝分裂后期“滞后”染色体错误分离形成缺陷DNA片段，这些片段通过未修复的DNA断裂双链（DSB）或DSB和端粒的错误修复产生端导致染色体片段之间的融合。前者会导致缺乏着丝粒的染色体片段的错误分离，后者可导致染色体桥的形成。其中，具有两个着丝粒的融合染色体要么在胞质分裂期间断裂，要么在后期持续存在并在两个新形成的细胞核之间形成桥梁。通过非同源末端连接，该桥的断裂导致桥区域的广泛重排和缺乏着丝粒或具有其他着丝粒缺陷的染色体片段的形成。然后，这些异常染色体可以在下一轮细胞分裂中产生 MN。错误分离的核DNA都会形成一个单独的核膜并变成 MN，从而影响细胞功能和生命。

(A)微核的形成路径。异常染色体的形成可直接导致微核的形成或核桥的形成。核桥的断裂和重组可以在下一轮细胞分裂中形成MN。

(B) 微核核膜不稳定，容易破裂导致cGAS 的激活。

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来源：论文供图

微核DNA被细胞识别后，活化的cGAS从ATP和GTP产生第二信使环GMP-AMP (cGAMP)，它结合并激活IFN基因的刺激物（STING），寡聚化为募集和激活TANK结合激酶(TBK1)提供了一个信号平台，并作为IRF3的支架TBK1磷酸化和随后IRF3的二聚化。二聚化的IRF3进入细胞核并触发I型干扰素反应。与STING相关的TBK1还促进dsDNA介导的核因子κB(NF-κB)激活，以促进促炎基因转录。麦肯齐等人推测cGAS对微核DNA的识别可能充当细胞内在免疫监视机制，检测一系列肿瘤诱导过程（即，MN传感是一种肿瘤抑制机制）。

尽管MN可能是细胞激活肿瘤抑制途径，MN也由于其基因组不稳定性在癌症基因组和转移的发展的关键致病作用。MN破裂会造成非经典NF-κB信号传导的STING依赖性激活促进癌细胞转移。

cGAS-STING信号的MN激活是一种细胞内在机制，用于监测具有癌症治疗意义的基因组不稳定性。因此，激活MN下游的信号通路，尤其是STING，是癌症免疫治疗中一个有吸引力的靶点（Suetal.,2019）。然而，在某些情况下，cGAS-STING通路或其他候选MN传感器的激活会促进肿瘤形成，例如，在邻近肿瘤的衰老细胞中，慢性STING激活也可能促肿瘤发生。

细胞质染色片段（CCF）

CCF是一系列染色质修饰，包括异染色质相关 H3K27me3 的存在和常染色质相关 H3K9Ac 的相对缺失。CCF 的形成与衰老细胞中核纤层蛋白 B1 的丢失导致的核膜丧失完整性，以及细胞自噬降解有关，特别是衰老细胞中 lamin B1 的自噬降解。

CCF 对 DNA 损伤标记物 γH2AX 呈强阳性，表明DNA 损伤在CCF 形成中起作用。而DNA 损伤，特别是 DSB 的形成，是细胞衰老的有效诱导剂。有趣的是，衰老细胞的线粒体消融或 mtROS 形成的抑制会抑制 SASP 并阻止 CCF 的形成。据报道 mtROS 可激活应激激活激酶 JNK1/2，后者与 CCF 抑制因子 53BP1 相互作用。53BP1 是一种 DNA 损伤相关支架蛋白，可将 DNA 修复因子募集到 DNA DSB 并抑制 DSB 末端的切除，即CCF形成需要DNADSB末端切除。

CCF形成机制

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来源：论文供图

衰老细胞损失核纤层蛋白B1，通过核自噬和可能的其它机制，促使CCF形成。线粒体通过产生激活JNK1/2信号通路的mtROS参与CCF的形成。在细胞核中，53BP1作为CCF形成的抑制剂，可能通过抑制MRE11依赖的双链DNA断裂切除。

通过JNK信号传导或通过使用cGAS-STING通路抑制剂的下游信号传导来靶向CCF形成，可以为衰老药物的开发提供额外的靶点。最近的研究表明，包括伏立诺他在内的组蛋白脱乙酰酶抑制剂(HDACis)是一种获批用于人类治疗某些癌症的HDACi，通过激活衰老细胞和小鼠肝脏中的线粒体功能间接防止CCF形成和SASP，表明该途径在体内具有治疗靶向性。

线粒体DNA

线粒体DNA(mtDNA)以每个细胞数千个拷贝的形式存在，并被密集包装成类核，它由一个拷贝的mtDNA和不同的蛋白质组成，例如线粒体转录因子A(TFAM)，一种负责类核结构、丰度和分离。mtDNA通常位于内部线粒体基质中，编码37个基因：13个mRNA被翻译成氧化磷酸化系统组分的亚基，2个核糖体RNA(rRNA)和22个转移RNA(tRNA)。

细胞质中mtDNA的存在与细胞凋亡过程有关。收到凋亡信号后，促凋亡蛋白BAX和BAK被激活并在线粒体外膜中形成大孔，诱导线粒体外膜透化(MOMP)。MOMP后，BAX和BAK孔逐渐变宽，使线粒体内膜挤出到细胞质中，在那里变得通透，促进mtDNA释放。其他线粒体应激也可能导致细胞质线粒体DNA泄漏。例如，减少TFAM表达，导致mtDNA包装异常、组织和分布导致mtDNA释放到细胞质中。

线粒体DNA释放机制。（A-C）线粒体DNA释放被观察到的发生通过：（A）BAK和BAX的孔，其允许线粒体内膜通过症外膜和基质成分，包括线粒体DNA的逸出，（B）mPTP的通道内的线粒体膜和线粒体外膜中的寡聚VDAC孔，或(C)由于mPTP介导的线粒体肿胀导致线粒体外膜破裂。一旦释放，线粒体DNA就可以被DNA传感器感知。胞质CGAS检测通过增强TFAM。

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来源：论文供图

除了miMOMP和TFAM缺陷外，另一种可以介导mtDNA释放到细胞质中的机制是通过打开线粒体通透性转换孔(mPTP)。孔隙的组成性开放也可能导致线粒体肿胀，导致内膜破裂，从而导致mtDNA胞质释放。有趣的是，最近的一项研究提出了电压依赖性阴离子通道(VDAC)寡聚化在介导mtDNA释放到细胞质中的作用，表明，缺乏线粒体内切核酸酶γ的小鼠成纤维细胞显示出增加的氧化应激，具有更高水平的胞质mtDNA，这可以通过敲低VDAC1和3来减弱。此外，线粒体网络动力学的变化也有助于将mtDNA释放到细胞质中。

细胞质mtDNA是炎症通路的主要触发因素，也已被证明在对病毒感染的反应中发挥作用。一项研究表明，用具有RNA基因组的登革热病毒(DENV-2)感染人类细胞会导致细胞质中的mtDNA增加，激活cGAS通路，这表明细胞溶质mtDNA增强了抗病毒先天免疫。有趣的是，最近的另一项研究表明，微生物感染诱导miMOMP和BAX/BAK依赖性mtDNA胞质释放，导致cGAS-STING激活和促炎细胞因子的分泌。阻断亚致死性凋亡信号会损害细胞控制病原体感染的能力，这说明BAX/BAK介导的mtDNA胞质释放是有效免疫防御的机制。

除了通过cGAS-STING识别触发炎症外，胞质mtDNA还可以激活细胞内的其他传感器，最终导致下游炎症。例如，mtDNA已被证明可以激活NLRP3炎症小体。

尽管尚不清楚循环mtDNA是否与年龄相关疾病有关，但鉴于其强大的促炎潜力，细胞质和细胞外mtDNA可能在一定程度上促进了疾病的发展。因此，mtDNA和促进其释放的机制可能代表了改善或预防与年龄相关的病理的潜在治疗靶点。例如，已经表明在IPF患者的肺泡上皮细胞中Bax表达增加，表明MOMP参与了该疾病的病因学。在系统性红斑狼疮小鼠模型中，通过使用抑制剂VBIT-4抑制VDAC寡聚化已被证明可减少mtDNA释放和IFN信号传导，可以改善病情，表明抑制VDAC寡聚化也许mPTP可能代表一种有效的治疗策略，以改善涉及细胞质mtDNA释放的疾病。

最近的一项研究表明，衰老细胞是随着衰老而积累的无细胞mtDNA的主要来源，对老年供体动物衰老细胞的药理学消除减少循环mtDNA，可以改善与年龄相关的炎症，并延长接受老年动物器官移植的小鼠的存活时间。

逆转录转座子

转座因子(TE)是由BarbaraMcClintock于1950年鉴定的可移动DNA序列。TE占人类基因组的50%左右，对群体水平的遗传变异有显着贡献。转座元件分为两类：II类TE，也称为DNA转座子，编码蛋白质转座酶，介导插入和切除，允许这些转座子通过“剪切和粘贴”机制在基因组中易位。而I类TE，逆转录转座子不编码转座酶，因此依赖RNA中介转座到基因组的其他位点。逆转录转座子是人类基因组中最广泛存在的TE，分为两种类型：

LTR逆转录转座子，其两端包含长末端重复(LTR)，以及不包含这些重复并细分为长末端重复序列(LTR)的非LTR-散布核元素(LINE)和短散布核元素(SINE) 

反转录转座子被激活后，LINE被RNA聚合酶II转录，产生mRNA转录物并被输出到细胞质中，被翻译成两种蛋白质：RNA结合蛋白ORF1p和逆转录酶ORF2p。这两种蛋白质与mRNA转录物形成复合物，然后重新定位回细胞核，在那里通过在重新插入的目标位点上通过靶标发生引物逆转录(TPRT)过程发生。L1cDNA可能存在于细胞质中的机制有两种：

一种可能是细胞质中大量L1mRNA和L1蛋白的积累可能使逆转录在没有标准DNA模板的情况下发生，导致细胞质cDNA元件增加。或者，也有可能在TPRT期间，所得cDNA不会重新整合到基因组中，而是通过未知过程离开细胞核进入细胞质。

逆转录转座子活化导致细胞内DNA元件增加。

一旦转录激活，聚腺苷酸化（多聚A）双顺反子LINE-1（L1）的mRNA编码ORF1p和ORF2p生成，输出到细胞质，并翻译。ORF1p和ORF2p与mRNA结合形成核糖核蛋白(RNP)复合物。

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来源：论文供图

DNA损伤与逆转录转座子激活有关，由于某些基因毒性应激而发生的表观遗传变化也可能提供DNA损伤诱导的逆转录转座的额外机制。越来越多的证据表明，衰老和衰老过程中发生的广泛表观遗传变化可以解释为逆转录转座因子的重新激活。

除衰老外，许多应激源可以诱导逆转录转座子的表达和转座，例如基因毒性应激、热休克、病毒感染和重金属。在衰老细胞中，逆转录转座子（例如Alu、SVA和L1）的染色质变得更加松弛，最终导致转录增加，并最终导致这些元件的逆转录，随之而来的cGAS-STING依赖性IFN-I反应和促炎表型的激活有利于衰老相关肿瘤抑制。

研究最多的抑制L1逆转录转座的治疗方法是使用核苷类似物逆转录酶抑制剂(NRTIs)，这是一类抑制核酸聚合酶（包括逆转录酶）的抗病毒化合物，已用于治疗HIV。一项研究通过使用体外LINE-1逆转录转座试验证明，L1逆转录转座可以被许多具有不同程度效力的不同NRTIs抑制。DeCecco等人用NRTIs治疗老年小鼠有效地减少了L1细胞质DNA和随之而来的各种组织的炎症，并改善了许多与年龄相关的表型，例如组织巨噬细胞浸润、肾小球硬化和骨骼肌萎缩。

审校：李茜 | 排版：南风

封面：来源于CELL期刊

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