Nature子刊：轻微氧化即干掉40%细胞？衰老真相或为“端粒脆性”

导读

2013年，顶刊《Cell》上发表了老年学经典综述《The Hallmarks of Aging》，将端粒的损耗列入衰老9大衰老标识之一，“端粒磨损—>衰老”的概念也因此深入人心[1]。

近日，匹兹堡大学Patricia L. Opresko教授团队在生物学顶刊《Nature》子刊上发表文章，介绍了可能颠覆大众对端粒印象的内容，一种与氧化应激相关的端粒驱动衰老的新机制：长度之外，“质量”也很重要[2]。

首先我们来复习一下端粒吧。

端粒是存在于真核细胞染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，端粒是由短重复序列（5'-TTAGGG-3'）与shelterin蛋白复合物一起构成的。

那对于细胞DNA来说，端粒就相当于一个“抵伤替身娃娃”，损伤自己为包含重要遗传信息的DNA提供保护，以确保它的正确复制；而shelterin则是端粒保护自己的“盾”，让自己的“承伤血条”能更长一点。

而8oxoG则是端粒这个“保护机构”常见的小瑕疵。

8oxoG是DNA的4个组成小元件之一鸟嘌呤（G）的氧化体[3]。本来8oxoG的生成可以说是最微不足道的一个小错误，但是抵不住它多呀！鸟嘌呤（G）是最易氧化的碱基，8oxoG是最丰富的。同时，8oxoG最容易发生的序列正巧是端粒的TTAGGG重复序列，所以端粒更容易受到8oxoG这种氧化损伤的影响[4]。

图注：8oxoG由G（鸟嘌呤）氧化形成

一个是微不足道的小损伤，一个保护DNA的“卫士”，却联手缔造了“衰老惨案”。这项研究惊人发现，喜欢扎根在端粒的8oxoG的急性产生，足以迅速损害没有病变的人成纤维细胞和上皮细胞的生长。

从一个碱基的突变，到细胞的“存亡”，正是“千里之堤溃于蚁穴”。让我们来接下去详细了解，这个庞大的“蚁穴”是怎么导致衰老的“溃堤”的。

为了更直观地展示8oxoG“小身体里的大能量”，这篇文章专门构建了一种方法，可以在两种人类细胞上专门诱导8oxoG，而8oxoG也“不负众望”，“首战告捷”，致衰显著。仅仅4天的诱导下，两种细胞的生长量就降低了超过了40%！

从细胞衰老标识：衰老相关β半乳糖苷酶增加和核面积增大（这二者均为衰老细胞的经典标志）来看，也确定了细胞数量猛降的“罪魁祸首”：衰老。

图注：8oxoG“诱导”5分钟，细胞“折寿”一小半

接下来通过这个细胞模型，本文细细探究了从8oxoG到细胞衰老的全过程。

首先是胞质DNA的产生

在8oxoG“诱导”4天后，两种细胞中都出现了接近3倍的包裹了游离DNA的微核（MN）。这种核DNA的“出逃”虽然不会导致细胞的死亡，但是会激活细胞里衰老相关分泌表型（SASP）的分泌，开始为炎性衰老悄悄“拱火”。

图注：8oxoG“诱导”后核DNA的逸散（上）和SASP的产生（下）

其次是局部端粒DDR（DNA损伤反应）的激活

作为DDR的两大标志物，γH2AX（DNA双链断裂的标识）和53BP1（DNA修复蛋白）可以评估DNA的损伤程度，而在8oxoG“诱导”下，居然能让两种细胞端粒的DDR标记物量增长10倍！8oxoG诱发端粒DNA损伤反应的能力不可谓不强。

图注：两种细胞在8oxoG“诱导”后DDR标记物水平大幅上升

最后深扒衰老表象背后的原理：经典衰老途径p53的激活

研究中发现，8oxoG“诱导”几分钟内就能激活ATM/ChK2途径，继而激活它下游的p53信号。而不论是ATM还是p53，都有一样的功能：驱动细胞的过早衰老，强制停止细胞周期。

图注：8oxoG能够激活ATM及其下游p53

在十倍DDR的强效印象加持下，很多人肯定觉得：端粒一定缩短了很多吧？但是神奇的就是，8oxoG的作用并不在于端粒的缩短，而在于端粒的损伤。

在对端粒进行分析之后发现，8oxoG“诱导”4天后，虽然细胞“叫苦不迭”，包括核DNA逸散呀，p53激活呀，DDR激增呀……但是！端粒并没有缩短，伤痕累累的端粒依然坚持着它的长度，不仅如此，端粒上起到保护作用的结合蛋白shelterin也丝毫没有受到损害。

图注：8oxoG对端粒长度并没有影响

但是，看上去依旧坚挺的端粒实际上却受了“很重的内伤”，不过是“强弩之末”。

8oxoG的广泛存在会扰乱细胞正常分裂周期。在8oxoG的干预下，细胞没办法在规定的DNA复制期时间内完成连染色体带端粒的复制，因此，细胞被迫在分裂期分担一点DNA复制的工作。而有丝分裂途径被扰乱的后果就是，细胞中显著增加γH2AX（DNA双链断裂）病灶。而端粒作为DNA守护者，这些伤害也就大部分落在了它的身上。

端粒伤痕累累，也就造成了实验结果中的局面：“金玉”其表，“败絮”其里。

8oxoG看上去柔柔弱弱没有什么“攻击力”，但其实比起“扬汤止沸”，它更喜欢“釜底抽薪”。在外表看不出来的情况下一点点蚕食端粒，出其不意地达到“致衰”的目的。

图注：“光照”（左）和未处理细胞（右）MiDAS显著差异（图中箭头处）

至此，对于8oxoG、端粒和衰老三者之间的“爱恨情仇”已经完完整整地展现在了大家的眼前。

端粒上一点一点积累的微小氧化损伤，终将会成为整个细胞“大厦将倾”的初始动力。这篇文章所提供的“端粒致衰新思路”说不定能在不久的将来成为一个新的切入口，从“氧化应激”的角度出发，研究出更好的端粒相关延寿干预策略。

本研究题为《Telomeric 8-oxo-guanine drives rapid premature senescence in the absence of telomere shortening》，发表于权威杂志《Nature》旗下子刊《nature structural & molecular biology》。通讯作者为匹斯堡大学教授Patricia L. Opresko和助理教授Jacob Stewart-Ornstein，Ryan P. Barnes为第一作者。研究由美国国立卫生研究院(NIH)、格伦衰老生物机制研究奖和UPMC希尔曼癌症中心创新癌症研究博士后奖学金(RPB)支持。

—— TIMEPIE ——

参考文献

[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] 吴颖,陈鸿迅,张立奎. 极端嗜热古菌8oxoG DNA糖苷酶的研究进展[J]. 微生物学报,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