時間：2023-04-10 來源： 作者： 我要糾錯
8-氧鳥嘌呤是一種氧化修飾,*初在DNA中進行氧化應激相關致*分子表征時發現,目前,它已被**用作活性氧(ROS)生物標志物。ROS包括羥基自由基、超氧化物和過氧化氫(過氧化氫),作為有氧代謝(如線粒體中的細胞呼吸)的副產物不斷產生。ROS的濃度必須保持平衡,以維持一個正常的氧化還原狀態,從而受到抗氧化途徑的積極控制。在氧化修飾中,核酸鳥嘌呤容易形成8-氧鳥嘌呤(8-oxo-7,8-二氫鳥嘌呤)。8-氧鳥嘌呤可以直接在DNA(8-oxo-dG)和RNA(O8G)水平產生,也可以在自由核苷酸水平(8-oxo-dGTP或O8GTP)產生,可以通過DNA復制或RNA轉錄合并。暴露于氧化應激時,RNA中的鳥嘌呤比DNA中的鳥嘌呤更容易產生O8G。目前關于8-氧鳥嘌呤的表觀遺傳和表位作用的研究越來越多。
文章鏈接:8-Oxoguanine: from oxidative damage to epigenetic and epitranscriptional modification
文章內容
1. 8-氧鳥嘌呤的配對方式
8-氧鳥嘌呤的關鍵特征是其順勢構象與腺嘌呤堿基對發生Hoogsteen堿基配對,而它的反式構象仍然作為一個未氧化的鳥嘌呤與胞嘧啶配對(圖1a)。因此,8-oxo-dG導致鳥嘌呤向胸腺嘧啶轉位,導致突變發生(G > T,與C>A相同)。為了防止這種損傷,8-氧鳥嘌呤DNA糖基化酶(OGG1)通過堿基切除修復(BER)途徑識別、移除和修復8-oxo-dG10(圖1b)。除了遺傳信息的變化外,8-oxo-dG可以作為一種表觀遺傳標記,影響啟動子中的調節元件、CpG島的甲基化和分布。
2.DNA上發生的8-oxo-dG
8-oxo-dG具有高度的誘變性,它傾向于以syn順式構象與腺嘌呤配對(圖1a),在DNA復制過程中導致鳥嘌呤-胸腺嘧啶突變(G > T,與C>a相同),DNA聚合酶β(pol β)以syn構象容納8- oxo-dG模板,從而將腺嘌呤合并到復制鏈中(圖1b)。8-oxo-dG不*可以在DNA分子中形成,也可以在游離核苷酸中形成(圖1b),這些游離核苷酸特別容易受到氧化損傷(8-oxo-dGTP)。由于8-oxo-dGTP引起pol β活性位點的變化,它的協同構象可以插入到相反的腺嘌呤中,避免被識別為受損,從而導致A>C的突變(與T>G相同),稱為聚合酶誘導的細胞毒性(圖1b)。
圖1 8-氧鳥嘌呤的堿基配對、突變和DNA修復的特征
3. 8-oxo-dg誘導的疾病轉錄突變
8-oxo-dG修飾不*能改變復制過程中的DNA信息(G > T轉位),還能介導轉錄突變,調控遺傳信息。盡管RNA聚合酶具有高保真度,但模板鏈中的8-oxo-dG可以直接轉錄,由于8-oxo-dG-A堿基配對,導致mRNA中的C > A轉位,并且位于編碼序列中的8-oxo-dG導致錯誤蛋白的翻譯(圖2a),這些蛋白經過不增殖的細胞而不進行DNA復制。8-oxo-dG及其修復中間體(如AP位點)可以通過影響轉錄元件的完整性來影響基因的表達(圖2b),即使是位于編碼基因非轉錄DNA鏈的,它也會通過轉錄中的調節元件抑制轉錄。
4. 8-氧鳥嘌呤轉錄調控的表觀遺傳作用
8-oxo-dG修飾不*損害DNA信息,而且作為一種表觀遺傳標記,與其修復中間體一起介導轉錄調控。除了G-四聯體外,NF-kB轉錄因子的調控結合位點與8-oxo-dG與OGG1相互作用,促進轉錄**(圖2c)。8-oxo-dG與組蛋白去甲基化相關,其中DNA氧化由去甲基化反應中產生的局部ROS誘導,隨后與OGG1結合,介導轉錄調控(圖2d),對于DNA胞嘧啶甲基化(5-甲基胞嘧啶,5mC),8-oxo-dG降低了與DNA甲基轉移酶(DNMTs)的結合親和力,從而抑制了CpG島的甲基化(圖2e),并且在氧化應激誘導的DNA去甲基化過程中,OGG1在識別8-oxo-dG損傷和招募TET1方面發揮了重要作用,TET1可以將鄰近的5mC氧化為5-羥甲基胞嘧啶(5hmC)使DNA發生去甲基化(圖2e)。
圖2 8-oxo-dG的表觀遺傳作用
5. RNA中的8-氧鳥嘌呤
對8-oxo-dG的研究相比,對O8G的研究較少,其修復機制和調控功能尚不清楚。雖然DNA和RNA都能與ROS發生反應,但RNA的獨特特性使其容易被氧化。RNA氧化可嚴重導致編碼和非編碼RNA的功能障礙和調節,這與氧化作用下的病理生理后果有關。因此,O8G不*參與氧化損傷,而且作為一種表轉錄修飾。
文章提出細胞質RNA的氧化修飾,可能包括mRNA、rRNA、tRNA和miRNA,均已被提出在氧化還原相關的疾病表型中發揮作用。mRNA中的O8G會惡化密碼子-反密碼子的相互作用,抑制翻譯,并且會降低了遺傳信息的質量,導致核糖體停滯,并通過改變堿基配對(O8G-A)合成受損的蛋白質。此外,mRNA中的O8G對其編碼能力非常有害,因為它會導致核糖體停滯,隨后產生流產蛋白(圖3A),從而增加細胞毒性,惡化核糖體穩態,組織核糖體**no-go衰變(NGD)(圖3b)。O8G能直接被核糖核酸降解酶(PNPase和APE1)和RBPs(YB-1和AUF1)識別,作為核糖體**的mRNA質量控制的一部分,但O8G可以作為一種表轉錄修飾,標記轉錄后基因抑制的選擇性mRNA降解(圖3c)。
6.信號通路的調節
PCBP1只通過其兩個與RNA結合的KH結構域結合嚴重氧化的RNA,并不會使靶mRNA不穩定,而是**導致凋亡細胞死亡的信號通路(圖3d)。在沒有PCBP1的情況下,caspase-3**和PARP裂解減少。作者認為PCBP1與過量的O8Gs結合可啟動一個損傷信號通路,導致氧化應激下的細胞凋亡。相反,即使PCBP2結合了嚴重氧化的O8G-RNA,PCBP2也抑制了ROS介導的細胞死亡(圖3d)。此外,在氧化應激過程中,游離O8GTP濃度的增加可以調節小G蛋白的活性(圖3d)。在一定條件下,O8G通過O8G-RNA或游離的O8GTP調節多種信號通路,誘導細胞凋亡,抑制炎癥反應。目前,O8G在調節信號通路中的具體作用和機制也有待進一步研究。
7.翻譯抑制
在H2O2處理后的大腸桿菌中,rRNA中的O8G**增加,而rRNA和tRNA的折疊結構在體外對其氧化沒有保護作用。在AD患者的大腦中,核糖體功能障礙與作為早期事件的RNA氧化增加有關,導致蛋白質合成的速率和能力下降。表明如果翻譯機制中產生O8G修飾,整體翻譯水平立即下降(圖3e)。此外,tRNA在氧化應激反應中經歷特異性的切割,導致功能性tRNA池的下調,從而限制翻譯延伸過程。考慮到細胞中大部分RNA由rRNA和tRNA組成,O8G修飾的總體方向是抑制整體翻譯,其程度依賴于細胞的氧化還原狀態(圖3e)。
8.非編碼RNA的調控
根據其靶點的功能,miRNA具有不同的病理生理作用。因此,種子序列的任何改變都可以改變不同的靶轉錄本組,導致miRNA介導的功能的重定向(圖3f)。一般來說,核糖體的氧化抑制了它們的活性,但活性位點的特定位置的氧化促進了翻譯(圖3f),此外,氧化應激已被證明可以通過特定的酶(如人類中的血管生成素200,酵母中的Rny1)誘導tRNA裂解,從而賦予特定的調控和功能,而不**是作為氧化損傷的副產物(圖3f)。同時,作者也表明通過開發O8G測序方法(o8 G- miSeq)可以精確鑒定了心臟miRNA中的O8G修飾,并通過分析cDNA中O8G > T突變在單核苷酸分辨率上確定O8G位置。
圖3 O8G的轉錄作用
總 結
RNA中的O8G會導致異常質量和蛋白翻譯的保真度問題,從而受到RNA衰減途徑的影響。除氧化損傷外,8-oxo-dG也是一種表觀遺傳修飾,可影響轉錄調控元件和其他表觀遺傳修飾。
云序生物O8G RNA氧化修飾測序總結
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