Nat Rev Immunol 综述 | 赵阳等评述衰老相关炎症中的DNA损伤和修复

撰文︱Osborne

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

基因组不稳定性是造成衰老的重要因素[1]。随着衰老过程DNA损伤的积累会造成细胞凋亡、细胞衰老和组织器官衰竭等。越来越多的证据表明炎症是DNA损伤的另一个重要的后果。炎症是衰老的标志性事件之一，也是许多衰老相关疾病的驱动者。因此，炎症参与DNA损伤修复导致衰老的机制受到越来越广泛的关注。

2022年7月13日，罗切斯特大学Vera Gorbunova教授和浙江大学医学院赵阳研究员及其同事受邀在Nature Reviews Immunology上发表了题为“DNA damage and repair in age-related inflammation”的综述文章。作者首先介绍了DNA损伤造成炎症的机制，即通过细胞质核酸感受激活先天免疫通路。随后总结了炎症反应在几中重要的衰老相关事件中的参与机制，包括DNA修复缺陷相关的早衰症、细胞衰老、转座子激活、R-loops形成、以及衰老相关的表观遗传改变等重要。最后讨论了这些机制的临床意义和未来研究方向。

一、DNA损伤造成炎症的分子生物学机制

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

DNA损伤和炎症之间有多种连接机制。DNA损伤造成小片段染色体形成微核（Micronuclei），后者通过核膜破裂，释放内含的DNA到细胞质。DNA损伤也会造成DNA小片段通过目前尚不清楚的机制直接释放到细胞质。细胞质中的DNA被DNA感受器cGAS识别并结合，激活cGAS-cGAMP-STING通路[2]。STING通过TRAF6-NF-kB和TBK1-IRF3通路分别激活炎症细胞因子和干扰素（Interferon）。另外，DNA损伤应答相关蛋白也可以直接触发炎症反应。ATM（识别双链DNA断裂）或ATR（识别单链DNA断裂）可以通过GATA4激活NF-kB[3]。激活的ATM也可以在细胞质激活TRAF6-NF-kB。造成细胞衰老的应激，包括持续的DNA损伤和端粒缺失，激活p38通路。p38一方面激活NF-kB，另一方面通过USP21介导的K27/K63多泛素化抑制STING。

图1 DNA损伤是炎症反应的诱导因素

（图源：Zhao Y, et al., Nat Rev Immunol, 2022）

二、DNA修复缺失和早衰

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

DNA修复和基因组维持相关基因的突变经常和早衰综合征相关。传统观点认为DNA修复缺失相关的疾病来源于细胞死亡和突变的积累，然而新的证据表明炎症可能是造成这些综合征的原因。DNA修复缺失和炎症之间是通过损伤的DNA激活cGAS-STING通路连接起来的。主要的DNA修复缺失综合征包括Xeroderma pigmentosum、XPF–ERCC1 progeroid、Cockayne syndrome、Werner syndrome、Bloom syndrome、Hutchinson–Gilford progeria syndrome、Ataxia telangiectasia。这些综合征涉及的通路和基因突变及其和炎症及癌症风险的总结如下表：

表1 DNA修复缺陷综合征及其与炎症的关系

（表源：Zhao Y, et al., Nat Rev Immunol, 2022）

三、转座子诱导炎症

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

基因组的大部分由转座子等重复序列组成，其中逆转录转座子（RTE）占主要部分。衰老相关的异染色质丢失会造成逆转录转座子的激活。在细胞质中，LINE1（L1）和Alu元件利用L1的逆转录机制产生单链DNA（ssDNA）。在细胞核中，核糖核蛋白（RNPs）介导RTE整合进基因组。这个过程包括在DNA双链上产生切口（nick）和逆转录两步，会造成DNA损伤。另外，不成功的整合会产生DNA flap结构，这些结构被加工成DNA-RNA杂合体。RTE产生的ssDNA或DNA-RNA杂合体都会激活cGAS-STING通路，造成干扰素激活和无菌炎症[4,5]。逆转录转座子也有“光明”的一面。研究显示通过不同机制激活的转座子可以通过病毒模拟（viral mimicry）的方式抑制肿瘤生长[6]。近期的一项研究发现天然长寿抗癌的盲鼹鼠（blind mole rat, Spalax）通过下调DNA甲基转移酶1（DNMT1），利用RTE激活干扰素清除过度增殖的细胞，是一种天然的抗癌机制[7]。这说明被“驯化”的RTE在进化中天然的扮演肿瘤抑制因子的角色。因此RTE可以被视为一把双刃剑，在年轻时充当肿瘤抑制因子，但在老年会导致炎症。

图2 逆转录转座子通过细胞质DNA感受激活炎症反应

（图源：Zhao Y, et al., Nat Rev Immunol, 2022）

四、细胞衰老和炎症

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

细胞衰老（cellular senescence）是一种永久性细胞周期停滞状态，是持续的DNA损伤应答的结果。细胞衰老的积累会通过改变组织功能和完整性造成个体衰老。后来的研究发现细胞衰老也伴随着炎症因子的分泌，称为衰老相关分泌表型（Senescence-associated secretoryphenotype，SASP）[8]。细胞衰老通过细胞质核酸感受诱导炎症[9]。衰老的细胞主要通过三种机制造成细胞质DNA：1. Lamin B1的缺失。细胞衰老过程中，自噬相关蛋白LC3与染色质的lamina及lamina-associated domains（LADs）结构域相互作用，介导Lamin B1的自噬。这个过程会导致核膜完整性的丧失，从而导致染色质泄漏到细胞质中[10]。2. 持续的DNA损伤应答。细胞质DNA包含γH2AX但不含53BP1，这表明细胞质DNA的形成与DNA损伤反应有关[11]。3. 细胞质DNA负面调节的缺失。细胞质中有两种脱氧核糖核酸酶（DNase）：DNase2α 和TREX1，负责降解细胞质DNA。在细胞衰老过程中，两种酶都通过p16-pRb负转录调节E2F而下调[12,13]。这三个机制造成衰老细胞DNA在细胞质大量积累，激活cGAS-STING通路，分别激活IRF3-Interferon和NF-kB-SASP通路。

图3 细胞衰老诱导炎症的机制

（图源：Zhao Y, et al., Nat Rev Immunol, 2022）

五、R-loops在衰老相关炎症中的机制

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

DNA合成和RNA转录都涉及对染色质结合的DNA的访问和解开双螺旋以形成DNA-RNA杂合体，这些结构被称为R-loops，其经常出现在具有高转录活性和重复序列的位点[14]。R-loops可以在正常的细胞过程（包括转录和DNA复制）中形成。BRCA1和SETX等蛋白质可确保RNA置换和R-loops溶解。Fanconi anaemia complex proteins和BRCA2也确保R-loops保持短暂性。在衰老的细胞中，由于溶解机制的丧失，R-loops在基因组中持续存在。DNA的二级结构，例如G-quadraplexes，导致未溶解的R-loops的积累。持续存在的R-loops使置换的单链DNA（ssDNA）链暴露于核酸内切酶，例如XPF、XPG和FEN1，导致基因组不稳定和炎症。cGAS-STING也可以识别R-loops并引发无菌炎症[15]。

图4 R-loops在衰老过程中积累并造成炎症

（图源：Zhao Y, et al., Nat Rev Immunol, 2022）

六、衰老相关的表观遗传改变

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

衰老伴随着染色质结构的改变。最近的研究发现DNA损伤诱导的表观遗传漂移（epigenetic drift）和细胞身份的丢失是造成衰老的原因[16,17]。用I-PpoI内切酶诱导轻度DNA断裂的小鼠表现出表观遗传模式变化和过早衰老表型。已有充分的证据表明衰老细胞的RTE和其他重复序列上异染色质丢失的趋势。“异染色质修饰子的重新分布”（redistribution of heterochromatin modifiers）理论指出，DNA损伤与衰老之间的联系涉及Sirtuin家族成员SIRT1和SIRT6 [18,19]。SIRT1和SIRT6都是表观遗传修饰子，对异染色质的形成和维持其重要作用。SIRT1和SIRT6还有第二个功能，即在DNA损伤时募集于DNA断裂处促进DNA修复。衰老的细胞积累了大量的DNA损伤，导致Sirtuins的重新分布，使得维持异染色质的Sirtuins不足，最终致使异染色质丢失和转座子激活。激活的转座子通过在细胞质形成双链RNA（dsRNA）或DNA，通过RNA或DNA感受通路激活干扰素和无菌炎症。

图5 衰老细胞中DNA损伤诱导的表观遗传改变激活逆转录转座子和无菌炎症

（图源：Zhao Y, et al., Nat Rev Immunol, 2022）

七、临床转化的意义

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

有多种抗炎药可供使用，并且正在开发新的干预措施。最近对细胞质核酸传感的认识也为减轻炎症提供了新的靶点。PYHIN核酸感受家族的成员——包括AIM2和IFI16——在清除细胞质DNA和成熟的促炎细胞因子如IL-1β和IL-18中发挥着关键作用[20]。近年来，该途径引起了人们的关注，由于其在DNA传感中的作用，其成分是抑制由细胞质DNA引起炎症反应的候选者。此外，位于核酸感受通路下游的NLRP3炎性体抑制剂目前正在开发中，并已在抑制促炎性疾病（如自身免疫性脑脊髓炎）方面显示出有希望的结果。最近的研究表明，细胞外囊泡可用于将核酸酶送至具有细胞质DNA诱导炎症的细胞中，从而抑制NF-κB和慢性炎症。更重要的是，使用细胞外囊泡递送的核酸酶被证明在缺乏Ercc1的动物中起作用，它们成功地抑制了促炎因子，如IFNα和MMP9。抗HIV药物的利用，如核苷酸逆转录酶抑制剂 (NRTIs)，已显示出治疗RTE相关炎症的前景[21]。然而，长期使用NRTIs会引起一些副作用，包括肝毒性，甚至可能导致神经元炎症和慢性疼痛。此外，与NRTI相比，其他抗逆转录病毒药物（如非核苷类逆转录酶抑制剂）的副作用更少，并且已被证明可抑制RTE活性。开发L1逆转录酶特异性的非核苷类逆转录酶抑制剂可以提供对RTE诱导炎症的有效保护，同时避免脱靶效应。除了针对炎症本身之外，针对基因组和表观遗传学组稳定性调节的药物开发也有积极意义。

八、总结与展望

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

基因组不稳定性和炎症是衰老的两个主要标志。然而，直到最近，DNA损伤和炎症之间的联系才被揭示。该联系有助于解释这些途径中与年龄相关的变化，并为理解衰老的根本原因提供了另一个视角。改善DNA修复和改善与年龄相关的基因组不稳定性的策略可能是最具吸引力的研究方向。一个悬而未决的问题是转座子的调节子如何随年龄而发生变化，以及这些抑制因子（包括TREX1、APOBEC3家族成员、RNAaseL、ADAR1、MOV10、SIRT1和SIRT6）之间的关系是什么。关于如何改善表观遗传学组维持和如何使老化的染色质恢复活力以恢复年轻的秩序还需要更多的研究。最后，探索具有不同寿命的动物物种之间的表观遗传调控差异可能会揭示影响衰老的关键表观遗传过程。

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41577-022-00751-y

第一作者赵阳现为浙江大学基础医学院“百人计划”研究员，博士生导师，浙江大学医学院附属第一医院双聘教授。实验室主页：https://person.zju.edu.cn/yangzhao。 

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本文完