▎药明康德内容团队编辑
基因调控区域的DNA甲基化水平能随着细胞对刺激的反应而变化，并且随着细胞周期的进程，基因组也会不断产生损伤。比如，有丝分裂后的神经元特异性地存在高度活跃的DNA单链损伤和修复合成过程，集中在增强子区域。
在今日《科学》的论文中，André Nussenzweig研究团队以有丝分裂后的神经元和巨噬细胞为研究体系，发现DNA主动去甲基化对于增强子激活是必要的，并且解释了神经元和巨噬细胞增强子上DNA单链损伤的来源以及阐述其中的机制。
据研究者介绍，在哺乳动物细胞中，5-甲基胞嘧啶（5mC）是最主要的DNA修饰，它对于发育和细胞分化有重要作用。5mC可被TET酶氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)、5-甲酰基胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC），引起DNA去甲基化。
在DNA主动去甲基化过程中，5fC和5caC被胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）切除产生无碱基位点，并后续产生DNA单链损伤。其能通过碱基切除修复（BER）途径最终修复转化为C碱基。
根据过往研究数据，研究者推测单链DNA损伤可能与TET-TDG介导的5fC/5caC切除有关。利用细胞工程获得的兴奋性神经元（iNeuron），研究者降低了细胞TDG水平，结果发现此行为可让神经元中可以积累大量的5fC/caC。
随后，研究者利用课题组开发的DNA单链损伤检测技术发现，降低TDG水平几乎消除了DNA单链损伤。这也说明，神经元中DNA单链损伤来源于TDG依赖的DNA主动去甲基化。
▲研究示意图（图片来源：Active DNA demethylation damages DNA，DOI: 10.1126/science.adf3171）
除了在神经细胞增强子上观察到重复出现的DNA损伤修复事件，研究者还使用了由前体B细胞转分化来源的巨噬细胞作为测试对象。通过CRISPR/Cas9敲除TET2和TDG蛋白，研究者也在巨噬细胞中发现了主动去甲基化引起的DNA单链损伤和修复过程。
不过两者也有着略微的区别，巨噬细胞偏好使用短补丁碱基切除修复（short-patch BER）以填补单核苷酸断裂缺口，而神经元会同时使用长补丁碱基切除修复 （long-patch BER）和短补丁碱基切除修复。
图片来源：123RF
根据论文，TDG缺失不会影响巨噬细胞和神经细胞的分化，却会在分化过程中让数千种基因的表达发生变化。这对细胞的行为是有影响的，例如TDG缺失削弱了巨噬细胞吞噬细菌的能力。而TDG被敲除，会部分影响神经元分化成熟相关基因的表达上调，包括神经突触前信号通路调控的相关基因。
研究者指出，新研究发现的机制对于肿瘤治疗有一定启示意义。在DNA 主动去甲基化过程中，若使用抗肿瘤胞嘧啶类似物（Ara-C）中断DNA修复会触发 TDG 依赖性DNA损伤应答和神经元死亡，这表明神经元在正常分化和分化成熟后内在的生理活动可能会导致化疗造成的神经损伤。
André Nussenzweig课题组博士后王东鹏，吴薇（兼共同通讯作者，现为中科院分子细胞科学卓越创新中心研究员）和研究科学家Elsa Callen为该论文的共同第一作者。
André Nussenzweig课题组长期从事DNA损伤及修复在肿瘤，神经和免疫系统中的机制和功能的前沿研究(https://ccr.cancer.gov/staff-directory/andre-nussenzweig)，欢迎有兴趣的博士后加入。
吴薇课题组主要致力于通过DNA损伤修复相关高通量检测技术，结合生物信息学方法，研究不同生理和病理过程的DNA损伤修复机制，现诚聘生物信息学方向博士后。
详情见：
http://cemcs.cas.cn/rczp/yjz/202205/t20220518_6450019.html
参考资料：
[1]W. Wu et al., Neuronal enhancers are hotspots for DNA single-strand break repair. Nature 593, 440-444 (2021).
[2]L. J. Luquette et al., Single-cell genome sequencing of human neurons identifies somatic point mutation and indel enrichment in regulatory elements. Nat Genet 54, 1564-1571 (2022).
[3]M. Tahiliani et al., Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science 324, 930-935 (2009).
[4]Y. F. He et al., Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science 333, 1303-1307 (2011).
[6]L. Zhang et al., Thymine DNA glycosylase specifically recognizes 5-carboxylcytosine-modified DNA. Nat Chem Biol 8, 328-330 (2012).