吸烟对DNA造成损害的全基因组地图

科学家知道吸烟会导致DNA受损已经几十年了，但近期，北卡罗来纳大学(UNC)医学院的科学家提出了一种方法，能有效绘制整个基因组DNA损伤的高分辨率图像。

这一创新来自诺贝尔奖得主北卡罗莱纳大学教堂山分校莎拉·格雷厄姆·凯南生物化学教授阿齐兹·桑贾尔(Aziz Sancar)的实验室。在这项发布在国家科学研究院论文集的研究中，桑贾尔和他的团队研发了一种绘制基因组中正在修复普通型受损DNA部位的技术。他们随后利用这一技术绘制了所有主要由化学致癌物质——苯并(a)芘造成的损伤。

桑贾尔说道：“这是一种导致了美国30%癌症死亡的致癌物质，现在我们有了其引发损害的全基因组地图。”

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像这种地图能帮助科学家更好地理解吸烟诱发的癌症是如何发端的，为什么某些人更容易或更不容易患癌症，以及如何预防这些癌症。桑贾尔还希望在分子层面提供这种完全而具体的吸烟有害的证据可能引导某些吸烟者戒掉这个习惯。美国大约有4千万吸烟者，全球约为10亿。

他说道：“如果这能帮助提升对吸烟危害程度的认识，那真是极好的。如果我们准确知道整个基因组中基因损伤是如何修复的，那么对于药物研发者也很有帮助。”

BaP：地球上最顶级化学致癌物？

苯并(a)芘(BaP)是一族简单、强健、富含碳的碳氢化合物(烃类)——多环芳香烃中的一种，即使在外太空也能形成。科学家认为这些分子可能是地球和其他行星上碳基生命的种子。但对于进化程度更高和更复杂的基于DNA的生命形式——例如人类，BaP会造成严重的环境危害。这是一种有机化合物的燃烧副产物，比如烟叶。日常形式的燃烧，从森林火灾到柴油引擎和野餐烧烤架，都会向空气、土壤和食物中释放大量BaP。但没有哪种寻常生命形式能比香烟将BaP传递给人类组织的效率更好。

典型的，当有毒碳氢化合物通过呼吸或者饮食进入人体时，血液中的酶就会将其分解为更小更安全的分子。对于BaP而言也是一样的，但这种保护反应还会产生一种名为二羟环氧苯并芘(BPDE)的化合物，这种化合物比BaP本身更糟糕。

BPDE与DNA产生化学反应，形成与碱基鸟嘌呤的强耦合。这种耦合，或者叫加合物，意味着基因无法制造合适的蛋白质，DNA在细胞分裂过程中无法正常复制。一旦这样，就会引发疾病。

研究第一作者、博士后研究员Wentao Li说道：“如果BPDE加合物发生在肿瘤抑制基因上，并且没有被及时修复，就会导致永久性的变异，使细胞变为癌性。”

该化学反应的基本致癌性是毫无疑问的。在实验室小鼠皮肤上涂上适度剂量的BaP，然后肿瘤就几乎必然会发生。BaP，通过BPDE，早已被意识到是多种癌症的启动子，被认为是肺癌最重要的病因。

进行中的修复

桑贾尔绘制BaP诱发的DNA损伤的新方法使科学家能够鉴定基因组中细胞正试图修复损伤的位置。桑贾尔因为梳理了这种生化修复过程的详细工作而共享2015年诺贝尔化学奖。

这被称为核苷酸切除修复，包括招募特定的蛋白质进行DNA手术。这些蛋白质剪除受影响的DNA链。如果一切顺利，DNA合成酶就会根据其他未受影响的链重新构建缺失的DNA段。由于地球上所有基于细胞的生命形式都有两条互补的DNA链，所以这是有可能的。同时，被剪除的受损DN□□段会自由漂浮，直到垃圾处理分子最终将其分解。

这些自由漂浮的受损DN□□段对于细胞来说可能是垃圾，但对于想要绘制基因组中所有损伤的科学家而言却是金子。利用新方法，科学家能够标记并收集这些废弃片段，进行排序，并按照顺序组装在一起——类似于大拼图中的小块，从而创建基因组地图。最后，科学家就有了修复受损DNA地点的完整地图。

鉴于DNA测序所需要的艰辛工作和花费，桑贾尔、Li和同事们发布的初始概念验证地图并未达到可能具有的最高分辨率。但这种方法为科学家们以更低的成本更好地理解DNA损伤事件如何导致疾病和死亡指明了道路。

这一制图技术将能帮助回答几个问题，比如：

1. 何种剂量的毒素才能使普通人的核苷酸切除修复能力不堪重负呢？
2. 哪个基因上的何种变异能赋予人们更强或更弱的修复DNA损伤能力？
3. 基因组上是否存在本质上不太可能成功修复的特定位置？

即使利用初始中等分辨率的地图，桑贾尔和他的同事也证实当耐受BPDE的鸟嘌呤(G)邻近胞嘧啶(C)而不是胸腺嘧啶(T)或者腺嘌呤(A)时，更倾向于出现BPDE损伤修复。这表明存在具有更高BPDE诱导变异风险的“热点”。

Li说道：“理解这种修复偏差应能帮助我们更好地理解为何接触类似于BaP的毒素会倾向于导致特定的基因变异。”

展望

在2015年和2016年发表的研究中，桑贾尔和他的同事们利用他们早期版本的技术绘制了两种其它类型的DNA加合物损伤：一种由紫外线造成的，另一种由常见化疗药物顺铂引起的。这些绘图研究需要额外的化学步骤——在测序前先移除离体片段的损伤，否则测序过程所需的DNA阅读酶就会被加合物卡住。与此相对的，新技术则利用“跨损伤”酶，其尺寸使其能在存在大块BPDE加合物的情况下仍旧读取DNA链。

桑贾尔说道：“这一新方法能被用于任何涉及核苷酸切除修复的DNA损伤。”

桑贾尔、Li和他们的同事们目前正在利用这一新技术绘制与其他环境毒素有关的DNA损伤修复。他们下一个项目重点在于黄曲霉毒素这种常在未能良好存储的坚果和谷物中发现的霉菌产生的分子。这种毒素会损害DNA，是发展中国家肝癌的主要病因。

研究者还在进行更多研究，揭示影响核苷酸切除DNA修复发生所在以及是否发生的因素。为此，他们需要绘制基因组本身实际损伤部位的地图，而不仅仅是在修复过程中剪除下来的损伤片段。

在这样一个项目中，他们必须研发一种绘制由紫外线引起的实际DNA损伤地图的灵敏、高分辨率的方法。他们发现紫外线损伤似乎具有本质上的一致性，虽然修复过程并非如此。修复似乎受到大量因素的影响，包括给定DNA展开被复制编码蛋白质制造的活跃程度。他们正将这种方法用于BaP，以完善他们已产生的修复地图。

这又一次指出可能存在不太可能发生修复和更可能发生变异的热点。

桑贾尔说道：“我确信所有这些信息将能使我们更好地理解为什么某些人易患癌症以及何种吸烟有关的变异导致了肺癌。”
这反过来启发了更具针对性治疗的研发。

论文原文： doi: 10.1073/pnas.1706021114

本文译自 medicalxpress，由 CliffBao 编辑发布。