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人類神經細胞的DNA修復位置

人體由各種細胞所組成,而每種細胞的替換率(turnover rate)各不相同:有壽命約不到五天的細胞,例如小腸上皮細胞 [1];亦有終其一生幾乎不會進行替換的細胞 神經細胞。神經細胞是人體內最長壽的細胞,然而,神經細胞並非無堅不摧。神經細胞內的 DNA 隨時可能會損傷,造成基因組完整性(genome integrity)受損,這時候就須仰賴 DNA 修復(DNA repair)將受傷的 DNA 復原,使細胞可以正常運作。但 DNA 修復功能會隨著老化而逐漸喪失,造成老年相關疾病,例如:阿茲海默症等 [2]

現今對於神經細胞的 DNA 修復機制尚未十分了解,因此來自沙克研究所的 Fred Gage 團隊利用人類胚胎幹細胞誘導神經細胞(human embryonic stem cell–induced neurons, ESC-iNs),研究神經細胞中的 DNA 修復位置。為了標定神經細胞中 DNA 修復位置,研究團隊將核苷類似物 5-ethynyl-2’-deoxyuridine(EdU)對 ESC-iNs 進行 24 小時處理,當 ESC-iNs 進行 DNA 修復的時候,EdU 就有機會被嵌入細胞的 DNA 當中。之後作者將細胞內的 DNA 萃取出來,再將被標定的 DNA 片段利用 PCR 進行放大,最後進行 DNA 定序(圖一)。

圖一、研究團隊使用 ESC-iNs 研究神經細胞 DNA 修復位置的流程。
圖片來源:https://doi.org/10.1126/science.abb9032

結果顯示 ESC-iNs 細胞有不同 DNA 修復位置,作者以構成阿茲海默症患者腦部類澱粉蛋白斑塊的 α-突觸核蛋白 ( Alpha-synuclein ) 為例 [3],從 α-突觸核蛋白基因(SNCA gene)內部的 DNA 修復情形(圖二),可以看到有許多峰值(peak)的存在,代表此基因內有 DNA 修復的情形,且頻率隨位置而異。且研究團隊亦發現特定的 DNA 位置具有高修復比例,將其稱為 DNA 修復熱點(DNA repair hotspots)。

圖二、SNCA 基因內各位置的 DNA 修復情形。
圖片來源:https://doi.org/10.1126/science.abb9032

此外,而作者也分析 DNA 修復位置的染色體的開放程度——染色質可及性(chromatin accessibility),發現 DNA 修復位置的染色質可及性較高,且有較多 H2A 組蛋白異構體 (Histone isoform)的存在,例如:和基因表現的調控相關的 H2AZ [4](圖三)。

圖三、DNA 修復位置具有較高的染色質可及性及組蛋白 H2A 異構體 H2AZ 的存在。
圖片來源:https://doi.org/10.1126/science.abb9032

而染色質開放程度越高通常代表該區域動態性較高 [5](圖四)也較可能有基因表現。因此,作者進一步探討 ESC-iNs 細胞的 DNA 修復位置是否有較高的基因表現,結果證實 DNA 特定位置的基因表現和該位置 DNA 修復程度呈現線性正相關(圖五)。DNA 修復熱點的基因功能和神經細胞的生理機能相關,例如:神經細胞生長、軸突發育等。

圖四、染色質具有不同開放程度,越開放的染色質動態性越高。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41576-018-0089-8

圖五、DNA 修復和基因表現的相關圖及 DNA 修復熱點的基因表現。A 為 DNA 修復和基因表現的相關圖,可以看到呈現線性正相關;E 為 DNA 修復熱點的高表現基因之生物功能(biological process)。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41576-018-0089-8

本篇研究發現神經細胞中 DNA 修復發生在特定位置,且有 DNA 修復熱點的存在,更顯示 DNA 修復熱點對於神經細胞老化的重要性,期待未來有更多相關機制的研究及發現。

參考文獻:
[1] https://bionumbers.hms.harvard.edu/bionumber.aspx?&id=107812
[2] Yu, Hao et al. “Altered DNA repair; an early pathogenic pathway in Alzheimer’s disease and obesity.” Scientific reports vol. 8,1 5600. 4 Apr. 2018, doi:10.1038/s41598-018-23644-4
[3] GeneCards 網頁對於 SNCA 基因的介紹,
https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=SNCA
[4] Giaimo, Benedetto Daniele, et al. “The Histone Variant H2A.Z in Gene Regulation.” Epigenetics & Chromatin, vol. 12, no. 1, 2019, doi:10.1186/s13072-019-0274-9.
[5] Klemm, Sandy L et al. “Chromatin accessibility and the regulatory epigenome.” Nature reviews. Genetics vol. 20,4 (2019): 207-220. doi:10.1038/s41576-018-0089-8
[6] Reid, Dylan A et al. “Incorporation of a nucleoside analog maps genome repair sites in postmitotic human neurons.” Science (New York, N.Y.) vol. 372,6537 (2021): 91-94. doi:10.1126/science.abb9032

撰文|解淮清
審稿|黃子瑄

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解淮清

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台大生科/電機 在學生

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