吸煙對DNA造成損害的全基因組地圖

科學家知道吸煙會導致DNA受損已經幾十年了，但近期，北卡羅來納大學(UNC)醫學院的科學家提出了一種方法，能有效繪製整個基因組DNA損傷的高解析度圖像。

這一創新來自諾貝爾獎得主北卡羅萊納大學教堂山分校莎拉·格雷厄姆·凱南生物化學教授阿齊茲·桑賈爾(Aziz Sancar)的實驗室。在這項發布在國家科學研究院論文集的研究中，桑賈爾和他的團隊研發了一種繪製基因組中正在修復普通型受損DNA部位的技術。他們隨後利用這一技術繪製了所有主要由化學致癌物質——苯並(a)芘造成的損傷。

桑賈爾說道：「這是一種導致了美國30%癌症死亡的致癌物質，現在我們有了其引發損害的全基因組地圖。」

credit: 煎蛋畫師ZZCW

像這種地圖能幫助科學家更好地理解吸煙誘發的癌症是如何發端的，為什麼某些人更容易或更不容易患癌症，以及如何預防這些癌症。桑賈爾還希望在分子層面提供這種完全而具體的吸煙有害的證據可能引導某些吸煙者戒掉這個習慣。美國大約有4千萬吸煙者，全球約為10億。

他說道：「如果這能幫助提升對吸煙危害程度的認識，那真是極好的。如果我們準確知道整個基因組中基因損傷是如何修復的，那麼對於藥物研發者也很有幫助。」

BaP：地球上最頂級化學致癌物？

苯並(a)芘(BaP)是一族簡單、強健、富含碳的碳氫化合物(烴類)——多環芳香烴中的一種，即使在外太空也能形成。科學家認為這些分子可能是地球和其他行星上碳基生命的種子。但對於進化程度更高和更複雜的基於DNA的生命形式——例如人類，BaP會造成嚴重的環境危害。這是一種有機化合物的燃燒副產物，比如煙葉。日常形式的燃燒，從森林火災到柴油引擎和野餐燒烤架，都會向空氣、土壤和食物中釋放大量BaP。但沒有哪種尋常生命形式能比香煙將BaP傳遞給人類組織的效率更好。

典型的，當有毒碳氫化合物通過呼吸或者飲食進入人體時，血液中的酶就會將其分解為更小更安全的分子。對於BaP而言也是一樣的，但這種保護反應還會產生一種名為二羥環氧苯並芘(BPDE)的化合物，這種化合物比BaP本身更糟糕。

BPDE與DNA產生化學反應，形成與鹼基鳥嘌呤的強耦合。這種耦合，或者叫加合物，意味著基因無法製造合適的蛋白質，DNA在細胞分裂過程中無法正常複製。一旦這樣，就會引發疾病。

研究第一作者、博士後研究員Wentao Li說道：「如果BPDE加合物發生在腫瘤抑制基因上，並且沒有被及時修復，就會導致永久性的變異，使細胞變為癌性。」

該化學反應的基本致癌性是毫無疑問的。在實驗室小鼠皮膚上塗上適度劑量的BaP，然後腫瘤就幾乎必然會發生。BaP，通過BPDE，早已被意識到是多種癌症的啟動子，被認為是肺癌最重要的病因。

進行中的修復

桑賈爾繪製BaP誘發的DNA損傷的新方法使科學家能夠鑒定基因組中細胞正試圖修復損傷的位置。桑賈爾因為梳理了這種生化修復過程的詳細工作而共享2015年諾貝爾化學獎。

這被稱為核苷酸切除修復，包括招募特定的蛋白質進行DNA手術。這些蛋白質剪除受影響的DNA鏈。如果一切順利，DNA合成酶就會根據其他未受影響的鏈重新構建缺失的DNA段。由於地球上所有基於細胞的生命形式都有兩條互補的DNA鏈，所以這是有可能的。同時，被剪除的受損DNA片段會自由漂浮，直到垃圾處理分子最終將其分解。

這些自由漂浮的受損DNA片段對於細胞來說可能是垃圾，但對於想要繪製基因組中所有損傷的科學家而言卻是金子。利用新方法，科學家能夠標記並收集這些廢棄片段，進行排序，並按照順序組裝在一起——類似於大拼圖中的小塊，從而創建基因組地圖。最後，科學家就有了修復受損DNA地點的完整地圖。

鑒於DNA測序所需要的艱辛工作和花費，桑賈爾、Li和同事們發布的初始概念驗證地圖並未達到可能具有的最高解析度。但這種方法為科學家們以更低的成本更好地理解DNA損傷事件如何導致疾病和死亡指明了道路。

這一製圖技術將能幫助回答幾個問題，比如：

1. 何種劑量的毒素才能使普通人的核苷酸切除修復能力不堪重負呢？
2. 哪個基因上的何種變異能賦予人們更強或更弱的修復DNA損傷能力？
3. 基因組上是否存在本質上不太可能成功修復的特定位置？

即使利用初始中等解析度的地圖，桑賈爾和他的同事也證實當耐受BPDE的鳥嘌呤(G)鄰近胞嘧啶(C)而不是胸腺嘧啶(T)或者腺嘌呤(A)時，更傾向於出現BPDE損傷修復。這表明存在具有更高BPDE誘導變異風險的「熱點」。

Li說道：「理解這種修復偏差應能幫助我們更好地理解為何接觸類似於BaP的毒素會傾向於導致特定的基因變異。」

展望

在2015年和2016年發表的研究中，桑賈爾和他的同事們利用他們早期版本的技術繪製了兩種其它類型的DNA加合物損傷：一種由紫外線造成的，另一種由常見化療藥物順鉑引起的。這些繪圖研究需要額外的化學步驟——在測序前先移除離體片段的損傷，否則測序過程所需的DNA閱讀酶就會被加合物卡住。與此相對的，新技術則利用「跨損傷」酶，其尺寸使其能在存在大塊BPDE加合物的情況下仍舊讀取DNA鏈。

桑賈爾說道：「這一新方法能被用於任何涉及核苷酸切除修復的DNA損傷。」

桑賈爾、Li和他們的同事們目前正在利用這一新技術繪製與其他環境毒素有關的DNA損傷修復。他們下一個項目重點在於黃曲霉毒素這種常在未能良好存儲的堅果和穀物中發現的黴菌產生的分子。這種毒素會損害DNA，是發展中國家肝癌的主要病因。

研究者還在進行更多研究，揭示影響核苷酸切除DNA修複發生所在以及是否發生的因素。為此，他們需要繪製基因組本身實際損傷部位的地圖，而不僅僅是在修復過程中剪除下來的損傷片段。

在這樣一個項目中，他們必須研發一種繪製由紫外線引起的實際DNA損傷地圖的靈敏、高解析度的方法。他們發現紫外線損傷似乎具有本質上的一致性，雖然修復過程並非如此。修復似乎受到大量因素的影響，包括給定DNA展開被複制編碼蛋白質製造的活躍程度。他們正將這種方法用於BaP，以完善他們已產生的修復地圖。

這又一次指出可能存在不太可能發生修復和更可能發生變異的熱點。

桑賈爾說道：「我確信所有這些信息將能使我們更好地理解為什麼某些人易患癌症以及何種吸煙有關的變異導致了肺癌。」
這反過來啟發了更具針對性治療的研發。

論文原文： doi: 10.1073/pnas.1706021114

本文譯自 medicalxpress，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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