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前言 衰老是一种导致多组织、多器官功能衰退的复杂过程。衰老过程与分子、细胞和生理水平的多种特征密切相关，如基因组和表观基因组的改变、蛋白质稳态的丧失、整体细胞和亚细胞功能的下降以及信号系统的失调。然而，这些衰老特征的相对重要性、机制之间的相互关系和等级顺序尚未阐明。此外，衰老的驱动因素是多种来源还是基于统一的某个来源也仍然未知。 近年来，越来越多研究表明，DNA损伤会影响大部分的衰老表型，并有可能成为驱动衰老的潜在统一因素。德国科隆大学的Björn Schumacher教授去年在Nature上发表综述文章，阐明了衰老表型的主要特征如何在因果上和机制上回归到DNA损伤，并提出DNA损伤可能是导致衰老的主要原因[1]（图1）。  DNA损伤在分子水平上的影响 DNA 损伤具有一系列分子后果，例如基因组不稳定、端粒功能障碍、表观遗传改变、蛋白质应激和线粒体功能受损等。 基因组内在不稳定性 基因组不稳定性是指基因组发生突变的趋势，即任何永久性的、可传递的 DNA 序列改变，例如碱基替换、缺失或插入、拷贝数变异、染色体畸变或逆转录转座。在更广泛的意义上，基因组不稳定性可以指 DNA 的固有特征经过化学修饰，这个过程通常称为 DNA 损伤，从而改变DNA结构和功能特性。DNA 损伤包括自发脱氨和水解以及许多其他化学变化，如不同类型的断裂、缺口、间隙、脱碱基位点、加合物和链间、链内和 DNA-蛋白质交联，以及其他细微的化学修饰。DNA 损伤会阻碍遗传信息的准确复制、受控转录和安全存储。 在正常衰老过程中，由于大量外源性和内源性基因毒素，DNA 损伤会持续大规模地发生。据估计，每天在活跃的哺乳动物细胞中发生的DNA损伤多达105个，尽管这些损伤中的大部分可以被有效地去除，但一些逃逸检测的损伤是无法修复、修复得太晚或以错误的方式修复的。随着时间推移，DNA 损伤不可避免地积累，使基因组不稳定性成为衰老的真正标志（图2）。  端粒功能失调的基因组不稳定性 20世纪80年代后期，酿酒酵母的EST1突变体在端粒变短后，会经历复制性衰老这一发现普及了渐进式端粒缩短驱动衰老过程的概念。在哺乳动物中，端粒由数以千计的 TTAGGG 重复组成，被shelterin复合物覆盖，这有助于形成类似套索的T环，从而隐藏端粒末端，阻止 DNA 修复和损伤响应（DDR）传感器的激活[2]。DNA复制过程中由于滞后链的不完全合成，端粒重复的数量会随着每次细胞分裂而减少。在生殖系和一些成体干细胞中，这种损失由端粒酶补偿。早期发育过程中，端粒酶在大多数体细胞中处于沉默状态，能够限制细胞分裂的次数，直到端粒变得非常短。未受保护的端粒类似于持续的 DNA 双链断裂 (DSB)，并触发慢性 DDR 激活，导致复制性衰老。 端粒维持的遗传缺陷会导致人类端粒病变，包括先天性角化不良、再生障碍性贫血以及表现出多种早衰特征的肺和肝病。人体组织中端粒长度并不代表端粒在正常衰老时会变得非常短，即使在老年时也是如此。然而，进行性端粒缩短可能会在衰老过程中改变特定亚端粒基因的表达，其在体内相关性尚未明确。 DNA损伤诱导的表观遗传改变 表观基因组包括 DNA甲基化和组蛋白修饰，并且在体细胞的整个生命周期中是不稳定的。染色质修饰包括磷酸化、甲基化、乙酰化、泛素化、苏木酰化、瓜氨酸化和多 ADP 核糖基化，其中大部分也构成DDR的一部分。 越来越多的证据表明，DNA 损伤是与年龄相关的表观遗传变化的主要驱动因素。DNA 甲基转移酶 DNMT1 定位于 DNA 修复位点，许多染色质重塑剂调节不同修复机制的组装、病变去除和原始染色质状态的恢复，这可能会留下表观遗传标记。例如，在修复秀丽隐杆线虫中的转录阻断病变后，H3K4me2 的沉积促进了调节蛋白质生物合成和体内平衡的基因转录的恢复，从而延长了寿命。人类细胞中的 DDR 会导致 H3K27me3 的丢失，从而促进细胞衰老[3]（图3）。磷酸化组蛋白变体 γH2AX 在 DSB 位点形成病灶，随着年龄的增长在各种小鼠组织中积累，表明 DNA 损伤会导致染色质持续改变。以上研究表明，连续诱导 DNA 损伤和修复每天数以万计的损伤会留下表观遗传标记，从而导致衰老过程中的细胞间表观遗传异质性。  DNA损伤诱导的蛋白质应激 蛋白稳态途径控制着蛋白质的合成、折叠和降解。一些与年龄有关的疾病与蛋白质错误折叠和聚集有关，包括阿尔茨海默病和帕金森病。当结构改变影响溶解度时，会出现错误折叠的蛋白质，从而导致蛋白质聚集。近年来，越来越多研究将 DNA 损伤与蛋白质应激联系在一起，如有缺陷的转录偶联修复加速了 Cockayne 综合征的秀丽隐杆线虫模型中的神经变性，强调了 DNA 损伤在驱动与年龄相关的神经元病理学中的先决作用。 此外，伴侣蛋白、泛素蛋白酶体系统和自噬的缺陷可导致错误折叠蛋白质的积累。DDR 本身可以使核酸内切酶肌醇需要蛋白 1α (IRE1α) 和内质网未折叠蛋白反应 (ER-UPR) 的关键调节因子XBP1在 DNA 修复缺陷型早衰小鼠中被诱导。自噬也是由 DNA 损伤信号诱导的，并且是在持续性 DNA 损伤的情况下生存所必需的。当未修复的 DNA 损伤驱使细胞衰老时，它们会表现出慢性衰老相关的分泌表型。 总之，这些观察结果支持 DNA 损伤、突变和表观突变作为随着年龄增长而增加的蛋白毒性压力的主要原因的核心作用。 线粒体功能障碍 作为调节能量和代谢稳态的细胞器，线粒体长期以来一直与衰老有关，主要是作为ROS的主要来源，并与与衰老相关的疾病有关，如帕金森病和肌肉减少症。目前最流行的与年龄相关线粒体功能障碍假设是基于线粒体基因组中体细胞突变的积累，这是复制过程中发生的错误和在细胞核中缺乏大多数活跃的复杂修复途径所导致的。表达校对缺陷的线粒体 DNA 聚合酶的小鼠线粒体 DNA (mtDNA) 突变数量会显着增加，并表现出多种早衰症状。增加的 mtDNA 突变与老年人骨骼肌纤维、正常老年人大脑的黑质和海马体以及各种其他组织中细胞色素C氧化酶活性的丧失有关。然而，尚不清楚自然衰老过程中此类 mtDNA 突变的频率是否足以引起表型效应。 因此，尽管 mtDNA 突变在衰老中的作用仍存在争议，但有几个方面尚未得到很好的探索，包括 DNA 损伤本身（与突变相反）对线粒体 DNA 复制和转录的影响，以及损伤核基因组中的 1,000 多个线粒体基因。 DNA损伤决定细胞命运 DNA 损伤可能对细胞命运产生显著影响，尤其是当细胞进入衰老和干细胞耗竭时。 细胞衰老 细胞衰老会永久性地抑制增殖以响应各种压力，其中大部分与 DNA损伤有关。博来霉素、阿霉素或顺铂等化合物会诱导细胞衰老，并造成无法修复的 DNA损伤，从而导致具有增强衰老的染色质改变DNA片段（DNA-SCARS）。此外，DNA损伤也是致癌基因诱导衰老的原因，致癌基因激活会导致复制应激和随后的DSBs。 线粒体功能障碍相关的衰老不是由基因毒素直接引起的，但考虑到上述与线粒体功能障碍的相关性，它也可能是由 DNA 损伤驱动的。因此，细胞衰老似乎与DDR紧密结合，或者与线粒体功能障碍相关的衰老一样，可能与DNA损伤间接相关。 干细胞衰竭 成体干细胞耗竭会导致干细胞数量减少和功能降低。不同类型的干细胞有着不同的 DDR 机制。例如静息造血干细胞 (HSC) 和毛囊干细胞使用快速、低保真度的非同源末端连接，而循环HSC、肠干细胞和胚胎干细胞倾向于更准确的同源重组。相反，不可修复的损伤会导致黑素细胞干细胞和老化的毛囊干细胞提前分化，从而耗竭干细胞池。此外，在人和小鼠的 HSC 以及肌肉、肠道、间充质、神经、皮肤和生殖干细胞中都有观察到DNA损伤的累积。 DNA损伤在HSC中的潜在作用已得到了充分证明，在衰老过程中，HSC 数量增加，但多能性下降，使之更倾向于髓系，且由于复制应激，老化的HSC中DNA损伤显著增加。与大多数成体干细胞一样，HSC 主要处于静止状态，这为内源性基因毒性应激（如代谢 ROS）提供了一些保护。因此积累的 DNA 损伤越来越被认为是衰老过程中干细胞衰竭的驱动因素。 DNA损伤的系统性影响 DNA 损伤通过内分泌信号、炎症反应和代谢改变对有机体产生系统性影响。 信号机制影响衰老表型 自从在秀丽隐杆线虫中胰岛素样信号 (ILS) 突变可以延长寿命后，信号转导机制在衰老中的重要性变得显而易见。一些信号通路已被证明可以调节包括酵母和哺乳动物在内的不同物种的寿命。热量限制等干预措施可以部分地通过抑制信号级联反应（如ILS和mTOR通路）来抗衰老[4]（图4）。相反，炎症信号通常被认为会促进一系列与年龄相关的疾病。
DDR 是炎症反应的有效激活剂。DNA损伤触发先天免疫反应，在秀丽隐杆线虫中调节全身性应激信号。在 DNA 修复缺陷型早衰小鼠中也观察到炎症反应，同时这些小鼠通过抑制促生长激素（包括 ILS）、促甲状腺激素和促泌乳激素轴作为抗衰老反应。 因此，DDR 通过影响影响衰老过程的炎症和内分泌信号成分，对局部和全身交流机制中与年龄相关的改变产生多重影响。 抗衰老反应影响基因组稳定 营养干预会影响动物的衰老和寿命。最初在20世纪30年代，研究者们就在大鼠中观察到，热量限制是最有效的健康和寿命干预措施，并且该结论适用于从酵母到哺乳动物的各种物种。热量限制可通过特定的营养感应途径发挥其延长寿命的作用，包括 ILS、sirtuins 和 AMPK调节的mTOR通路。除了上述讨论的DNA 修复缺陷型早衰小鼠和蠕虫中ILS衰竭之外，DDR激酶ATM在DNA损伤后也可磷酸化 ILS-mTOR 途径中的几个关键蛋白。 总之，大量证据表明 DNA 损伤通过影响 ILS、sirtuins、AMPK 和 mTOR 来影响关键的信号传导机制，这些机制可调节寿命并引发模型生物中热量限制的抗衰老作用。 展望 内源性和外源性 DNA 损伤随着时间积累，会逐步阻碍细胞功能，并增加机体对衰老相关疾病的易感性。因此，缓解与衰老相关疾病的根本干预措施应通过减少DNA损伤和增强DNA 修复来恢复基因组完整性。例如，通过紫外线防护和避免吸烟来减少外源性DNA损伤已经被证明可以降低衰老相关疾病的发病风险。此外，饮食干预可能能够控制一些内源性 DNA 损伤来源，但大多数自发性损伤仍然是不可避免的。由于修复机器错综复杂，增强 DNA 修复仍然是一个巨大的挑战。自从提出DNA损伤和DNA修复是衰老的主要决定因素，以及发现 DNA 修复缺陷可以加速各种与年龄相关的病理发展以来，研究者们在揭示 DNA 损伤和衰老之间关系取得了巨大进展。为进一步探索DNA损伤在衰老病理发展过程中的机制，从根源上解决衰老过程提供了方向，同时为应对衰老相关的疾病打开了思路。 封面来源：DNA损伤应答(DDR) - Crown Bioscience |
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