ATG7

撰文丨王聪编辑丨王多鱼排版丨水成文重度抑郁症是最具致残性的精神疾病之一，全球终生患病率为 10.6%。压力（Stress）是导致抑郁的一个重要风险因素，并且在日常生活中普遍存在。短期内适度的压力对生存有益，而长期处于压力之下则会扰乱情绪平衡，进而导致抑郁。然而，大脑如何动态应对压力仍是个谜。了解特定神经回路中与压力相关的动态细胞机制对于开发更有效的抗抑郁疗法至关重要。蛋白质通过降解和合成的蛋白质周转过程能够对神经元的稳态进行精细调控。在控制蛋白质周转的各种机制中，自噬（主要是巨自噬）在近几十年来受到了越来越多的关注。自噬是一种主要的分解代谢的逐步过程，通过该过程，细胞内的蛋白质被包裹在自噬体中，随后被运输到溶酶体进行降解。值得注意的是，尽管自噬相关基因在神经系统中广泛表达，但大脑自噬的生理功能仍是一个悬而未决的问题。迄今为止，大多数研究都集中在其在神经疾病中的作用上，这给探索其在与压力相关的精神疾病中的作用留下了巨大的机会。通过特异性靶向突触成分的降解，大脑自噬被认为能够调控突触功能以及多种相关的生理和病理功能，包括学习和记忆以及精神疾病。然而，关于大脑自噬在压力期间如何调节情绪的确切机制和神经回路，目前仍所知甚少。2025 年 4 月 9 日，浙江大学崔一卉研究员团队与张翔南教授团队合作，在国际顶尖学术期刊 Nature 发表了题为：Stress dynamically modulates neuronal autophagy to gate depression onset 的研究论文。该研究表明，慢性压力通过抑制外侧缰核（Lateral Habenula，LHb）的神经元自噬以驱动抑郁症的发生，而通过自噬增强剂逆转这一过程为开发新的快速且持久的抗抑郁策略提供了令人振奋的可能性。慢性压力（Chronic stress）会重塑大脑的稳态，其中持续的变化会导致抑郁症。作为大脑稳态的关键调控因子，大脑自噬是否以及如何参与压力动态，目前仍不清楚。抑郁症患者血液或脑部样本中自噬相关信号（例如 mTOR、p62、LC3、Atg7、Beclin-1）受损，这表明自噬功能障碍在抑郁症中的临床相关性已得到证实。相反，自噬信号在使用抗抑郁药物治疗的抑郁症患者中升高。然而，抗抑郁药物在大脑中调节自噬的确切靶点仍不清楚。大脑中的外侧缰核（Lateral Habenula，LHb）是压力最易影响的区域之一，它会因多种压力源而被广泛激活，因此其突触蛋白的周转率很高。特别是，慢性压力会增强兴奋性输入，改变多种突触蛋白的表达，并破坏 LHb 的神经元稳态。在这项最新研究中，研究团队发现，外侧缰核（Lateral Habenula，LHb）自噬对于情绪稳态至关重要，其通过抵消压力所导致的突触蛋白过度上调来实现。该研究还发现了 LHb 自噬在应对压力方面具有因果作用。具体来说，该研究发现，急性压力会激活 LHb 自噬，而慢性压力会抑制 LHb 自噬。不同抗抑郁药物的全身给药能够恢复 LHb 自噬，这表明 LHb 自噬是抗抑郁药物的一个共同作用靶点。该研究还发现，在基因水平消除 LHb 神经元自噬会促进压力易感性，而增强 LHb 自噬则会产生快速抗抑郁样效果。LHb 自噬通过按需降解谷氨酸受体来控制神经元兴奋性、突触传递和可塑性。总的来说，这项研究显示了 LHb 自噬在维持对抗压力的情绪稳态方面具有因果作用。对慢性压力的适应不良会扰乱LHb 自噬，而通过自噬增强剂逆转这一过程为开发新的快速且持久的抗抑郁策略提供了令人振奋的可能性。Nature 期刊同期发表了题为：Chronic stress drives depression by disrupting cellular housekeeping 的“新闻与观点”文章，文章指出，在慢性压力下，大脑自噬受损，而增强其自噬，有望恢复正常的神经元活动并治疗抑郁症。参考链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08807-4https://www.nature.com/articles/d41586-025-00910-w设置星标，不错过精彩推文开放转载欢迎转发到朋友圈和微信群 微信加群 为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。点在看，传递你的品味

世界人口正在日益老龄化，全球生育率的下降和预期寿命的显著增加，使与年龄相关的退行性疾病已成为社会关注的前沿。脑老化是指从亚细胞到组织器官水平的一系列形态、结构的退行性变化，包括大脑体积减少、皮质变薄、白质退化等形态学特征和神经元细胞萎缩、树突变性、脱髓鞘等病理生理特征，最终伴随记忆丧失等认知缺陷和精神行为异常，成为推动神经退行性疾病的重要因素，也是社会老龄化负担的主要原因，因此，对脑老化的深入研究十分迫切。 动物模型是探索疾病的重要手段，其中脑老化相关的人工加速衰老模型因耗时短、易重复等优点在研究中更为常用。快速老化SAMP８ 系小鼠表现为记忆减退、淀粉样β前体蛋白 （ APP）代谢异常、神经元退化等，其饲养周期短，但价格昂贵，繁殖力弱来源较少；单侧／双侧海马区注射β淀粉样蛋白 （Ａβ）片段模型表现为学习困难、Ａβ 斑块周围星形胶质细胞增生、神经炎症等，造模周期短且成功率高，但诱发因素单一，对脑组织具有穿透性损伤；APP／PS１ 双转基因模型表现为认知障碍、早期淀粉样斑块和突触损失等，但基因表达不稳定，造价高，未能完全观察到 Tau 蛋白过度磷酸化。Ｄ-半乳糖诱导模型是国内外应用较广泛的模型之一，能观察到认知记忆缺陷的行为学表现和胆碱能神经元减少、Ａβ 免疫反应物聚集等病理特征，肿瘤坏死因子-α（TNF⁃α）和白细胞介素-１β（IL⁃1β）等炎症因子、自由基和8-羟基脱氧鸟苷（８⁃hydroxyguanosine） 等衰老标志物水平的增高，是行之有效的脑老化模型。D-半乳糖诱导脑衰模型具有广泛性和多样性，且构建简便易行，价格低廉，性价比高，具有极大研究开发的潜能。过量D-半乳糖能降低脑组织的氧化酶活性，形成更 多 损 害 神 经 细 胞 的 活 性 氧 （ROS），其氧化应激效应已成为公认的主要机制，此外线粒体功能障碍、自噬、神经炎症和凋亡等也被证实与D-半乳糖的作用相关。D-半乳糖诱发脑老化的机制是构建和研究模型的基础，目前已有大量关于其造模机制的研究，但结果繁杂，各机制之间的关系不甚明确，散乱且不成体系的机制理论也给模型使用者带来混淆和困扰。本文梳理了以往对D-半乳糖致脑老化模型的研究，对D-半乳糖在体内的正常和异常代谢及其脑老化模型的构建机制进行总结，并讨论机制间的连接关系，以期为该模型今后的发展运用和脑老化相关疾病的研究奠定基础。 1.D-半乳糖的代谢和损害 Ｄ-半乳糖是一种还原的小分子醛己糖，和 Ｄ-葡萄糖互为同分异构体，存在于许多食物中，主要来源是哺乳动物乳汁中的乳糖。半乳糖推荐的正常最大日摄入量为50ｇ，其中大部分在摄入后约8ｈ内从体内代谢排出，血液中 Ｄ-半乳糖的正常浓度低于 10ｍｇ/dL。摄入的D-半乳糖被钠依赖性葡萄糖共转运蛋白1型（SGLT⁃１）运输到细胞中，再通过葡萄糖转运蛋白2型-（GLUT-2）进入血液，被半乳糖激酶和1-磷酸半乳糖尿苷转移酶代谢成葡萄糖，并进入糖酵解途径或作为糖原储存在肝、肌肉和脂肪组织中，也 可 通 过 葡 萄 糖 转 运 蛋 白1型（ GLUT⁃1） 穿 过 血 脑 屏 障 摄 取 到 大脑中。D-1半乳糖过量时，会被醛糖还原酶催化成不易被细胞分解的半乳糖醇，影响正常渗透压，引起如细胞肿胀、代谢紊乱，消耗并破坏机体抗氧化防御系统。另外，大量堆积的半乳糖也可被半乳糖氧化酶 （GOA） 氧化成乙醛糖和过氧化氢（H2O2 ），生成多种活性氧自由基，导致细胞的线粒体功能障碍、氧化应激、炎症和凋亡。鉴于半乳糖的代谢特点，可通过注射大量D-半乳糖造成动物糖代谢异常，从而建立具有特殊研究目的的动物模型。 2.D-半乳糖诱导脑老化模型的机制 2.1 氧化应激损伤 D-半乳糖浓度升高时，GOA为将其氧化成H2O2 ，使 超 氧 化 物 歧 化 酶 （SOD）减少；增加的 H2O2与还原形式的 Fe 反应形成OH-，H2O2和OH－与其他ROS共同导致细胞膜脂质过氧化，损害氧化还原稳态。胺与D-半乳糖反应形成不稳定的席夫碱产物，几天内生成更稳定的Amadori  产物，并在数月或数年内不可逆地 转 化 为 晚 期 糖 基 化 终 末 产 物 （ AGEs）。AGEs与 其 受 体结 合， 增 加 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 磷 酸（NADPH） 氧 化 酶 和ＲＯＳ，导致神经元损伤和认知功能障碍。同时，累积的半乳糖醇形成渗透应激，使线粒体的电子传递链（ ETC） 活 性 降 低， ROS增加。还有研究发现，苯二氮卓受体可能是控制线粒体呼吸以防 ROS损伤的一部分机制，D-半乳糖可以通过降低苯二氮卓受体影响大脑皮层线粒体抗 氧 化 能 力。激 活 核 因 子E2 相 关 因 子 ２（Nrf2）作为维持氧化稳态的主要调节因子，介导了Ⅱ期酶HO⁃1的表达，该酶提高了抗氧化和受保护细胞免受氧化损伤的能力，D－半乳糖可通过下调 Ｎrf2和ho⁃1 的表达水平来抑制其抗氧化功能。实验研究中常用氧化应激相关酶的活性作为测定指标，如SOD、GSH-Px、CAT、丙二醛（MDA）、谷胱甘 肽 （GSH）、氧 化型谷胱甘肽（GSSG） 和过氧化脂质 （ LPO） 以及谷胱甘肽巯基转移酶等。 2.2 线粒体功能障碍 Ｄ-半乳糖能诱发线粒体结构损伤，使海马神经元线粒体肿胀、破碎及嵴断裂和缩小，线粒体长度和面积减少。Ｄ-半乳糖产生的ROS导致线粒体Cａ+超载，线粒体膜电位下降，膜中基质的电子密度也大面积降低，部分膜溶解。Ｄ-半乳糖可降低线粒体ATP表达，使细胞能量代谢不足。Ｄ-半乳糖能降低 三 羧 酸 循 环 酶 水 平， 脑 线 粒 体DNA（mtDNA）突变积累也可被Ｄ-半乳糖诱发，可能是Ｄ-半乳糖通过减少DNA修复酶以及通过NOC依赖性途径进行的；Ｄ－半乳糖产生的ROS也可诱导mtDNA的突变，从而抑制mtDNA的转录和翻译。新的线粒体产生依赖于线粒体的生物发生，其中PGC⁃1α⁃NRF１⁃TFAM信号通路是调节线粒体生物发生的关键，而 D-半乳糖能降低海马组织中的过氧化物酶体增殖受体 γ 共激活因子 α（PGC⁃1α），进而阻碍线粒体的新生和稳态。Ｄ-半乳糖也可以影响线粒体动力学的两种代表性蛋白，提高促分裂的动力蛋白相关蛋白１ （DRP１）和促融合的线粒体融合蛋白２（MFN2） 在海马组织中的表达水平，使线粒体分裂融合增加。Ｄ－半乳糖诱导的线粒体生物发生和动力学异常，导致线粒体损伤和功能障碍。 2.3 细胞自噬抑制 D－半乳糖在海马组织中能诱导自噬抑制，使自噬体的形成减少，自噬标志物水平异常，其中自噬起始物微管相关蛋白１A／1B－轻链3（ LC3）及其衍生物LC3Ⅱ/Ⅰ、自噬相关蛋白 ATG３、ATG５、ATG７、BECN１含量降低，自噬降解底物ｐ62增加。沉默信息调节因子１（SIRT１）能调控自噬降解，哺乳动物雷帕霉素靶标（ｍTOR）则能抑制自噬信号通路，Ｄ-半乳糖可以诱导 SIRT１蛋白表达降低和SIRT１表达水平升高；D-半乳糖还能使在自噬调节中充当自噬主要抑制因子的ｐ53水平升高，从而抑制自噬功能。当自噬发生时，LC3a被酯化成LC3b，p62可以与LC3b结合并被泛素化的蛋白质降解。Ｄ－半乳糖诱导后LC3b/a和P62的表达随着溶酶体功能蛋白的降低而提高，表明大量错误折叠蛋白质和衰老线粒体启动自噬过的同时，由于溶酶体功能损害，p62不能及时被消化，次生溶酶体不能被分解而积累。D-半乳糖除了改变自噬指标， 还能降低溶酶体 功能蛋白转录因 EB（TFEB）和溶酶体相关膜蛋白２（ LAMB2）的表达， 通过影响溶 酶体功能进而阻滞自噬通量。 2.4 脑细胞衰老和凋亡     ｐ53、ｐ21 和P16ink4α蛋白是影响细胞周期的关键因素，激活p53 基因，可促进下游p21基因的表达，降低细胞周期蛋白依赖性激酶复合物的活性，阻断细 胞 周 期；p16ink4α 负 调 节 细 胞 周 期 蛋 白（ CDK4） 的 活 性， 阻 断DNA复制，导致细胞周期停滞。D-半乳糖的持续积累可以提高p53、p21和 p16ink4α水平，降低CDK４，进而诱导细胞衰老。Ｄ-半乳糖可诱导海马神经元的凋亡，并能导致细胞凋亡标志性蛋白的表达异常，如抗凋亡蛋白 Bcl-2表达水平下降及促凋亡蛋白Bax 和半胱天冬酶 -３ （ caspase⁃３） 的水平升高。Ｄ-半乳糖可通过内外两种途径致细胞凋亡：外在死亡受体途径通过 c⁃Jun 氨基末端激酶（JNK）直接激活效应半胱天冬酶，并与线粒体的内在凋亡途径汇合；内在激活ｐ⁃JNK并增强细胞色素 c （Cytc） 的水平，刺激caspase⁃3、caspase⁃9和裂解的聚ADP 核糖聚合酶（poly（ADP⁃ribose） polymerase,PARP⁃１）的活化，诱导细胞凋亡。miR-34anRNA在调节细胞衰老中至关重要，并在衰老大脑中表达激活，D-半乳糖也可以升高  miR-34a 水平，通过其介导的衰老负调节因子SIRT1 的下调诱导脑衰，也可以通过miR-34a的 重 要 靶 标 Bcl-2 的降低诱导细胞凋亡。 2.5 炎症信号激活 Ｄ-半乳糖可以通过Ras 和氧化还原敏感信号通路激活转录因子 NF⁃KB；Toll样受体4 （TLR4） 可促进NF⁃KB 释放，TLR４/ NF⁃κＢ通路被激活时，会促进炎症因子的大量释放，而核蛋白相关受体 １（Nurr1）通过置换核因子活化 NF⁃κＢ 从而抑制炎性因子的产生，D-半乳糖能降低脑部区 Nurr1 水平，激活TLR４/ＮＦ⁃κＢ信号通路导致炎症产生。髓系分化原发性应答基因88（MyD88）是 Toll 样和白细胞介素受体募集的衔接蛋白，以MyD88依赖性途径的形式能被所有Toll 样受体（ TLR） 激活，从而去活化NF⁃κＢ；组蛋白去乙酰化酶３（HDAC3） 是长期记忆形成的关键负调节因子，HDAC-3能通过脱乙酰影响 NF⁃κＢp65途径的激活。Ｄ－半乳糖能联合 ＡｌＣｌ３ ，显著提高 ＭｙＤ８８、ＴＲＡＦ６、 ＨＤＡＣ３、 ＮＦ⁃κＢ 的 表 达 及 其 诱 导 的 神 经炎症。 2.6 神经物质代谢异常与年龄相关的神经退行性疾病的学习和记忆缺陷 与胆碱能下降有关，Ｄ-半乳糖能使乙酰胆碱酯酶（AChE） 活性显着增加，乙酰胆碱 （ACh） 水 平 降 低；单 胺 氧 化 酶（MAO）可降解单胺类神经递质，减弱记忆能力，Ｄ-半乳糖可使被认为是脑老化标志的 MAO⁃B 水平升高。Ｄ-半乳糖能使去甲肾上腺素（NE）的代谢产物 ３-甲氨基-４-羟基苯乙 二醇（ ＭＨＰＧ）和５-羟色胺（５⁃HT） 的代谢产物５-羟基吲哚乙酸（５-HIAA）的水平明显下降，提示D-半乳糖可能影响单胺能系统功能。Ｄ-半乳糖可以使黑质内生成多巴胺（DA） 的限速酶酪氨酸羟化酶（TH）阳性细胞数量下降，减少多巴胺能神经元。脑 源 性 神 经 营 养 因 子 （ BDNF）是认知功能以及神经元生长和存活的重要因素，在 D－半乳糖处理的小鼠中被发现减少。突触后密度蛋白 ９５ 调控突触连接，在突触结构和信号传递以及突触可塑性中发挥重要作用，Ｄ-半乳糖能明显降低大鼠海马中突触后密度蛋白95的ｍRNA 和蛋白表达。Ｄ-半乳糖干预可造成海马CA1 区树突棘密度降低，突触数量减少，突触相关蛋白表达下降，Tau 蛋白过度磷酸化水平升高，Ａβ蛋白沉积。 2.7 机制间的联系张熙等发现  Ｄ-半乳糖大鼠的组织器官中存在过量ROS，最早提出自由基致衰老学说，认为D-半乳糖活性氧应激效应态是拟衰老和脑老化的启动因子，这一学说机制得到普遍公认。D-半乳糖诱导亚细胞水平的氧化应激时，脑线粒体是最容易被损伤的部位，大量ROS 导致蛋白质错误折叠，线粒体膜电位降低、呼吸链损伤、mtDNA突变积累，这些变化诱导更多的ROS 产生，从而形成ROS和线粒体损伤的恶性循环。ROS诱导的线粒体功能障碍被认为是加速大脑衰老的主要机制。自噬能及时清理损伤的线粒体以维持其动态平衡，Ｄ－半乳糖本身可作为自噬的抑制因子，也可通过降低溶酶体功能来削弱自噬，从而阻断线粒体稳态的恢复，进一步恶化线粒体障碍。Ｄ－半乳糖诱发的氧化应激和炎症之间存在许多信号分子和通路的连接，任一种机制的传播都可能导致另一种机制的恶化或激活，它们的自我强化循环会 使 脑 细 胞 内 外 环 境 失 衡， 进 一 步 加 速 衰老。氧化应激也可以激活细胞外死亡受体凋亡途径，或者让脂质过氧化产物进入线粒体介导的细胞凋亡途径，致线粒体损伤，释放 Ｃｙｔ ｃ 入胞质，形成凋亡体。Ｄ－半乳糖可以破坏脑组织细胞的结构，也可通过诱发的其他认知障碍机制，如影响神经递质和神经因子以及特异性病理产物的水平，从而产生协同破坏作用，共同推动 Ｄ－半乳糖致脑老化的结果。 3. Ｄ－半乳糖诱导脑老化模型的运用和局限性 3.1 模型的应用与优势 Ｄ－半乳糖模型最早在国外应用于白内障研究，1985年我国学者徐黻本 首次在延缓衰老药物疗效实验中使用 Ｄ－半乳糖模型作为衰老模型。D－半乳糖可以诱导出记忆巩固与再现障碍、细胞退行病变、基因表达与调控功能异常、寿命缩短等全身衰老表现，而大脑因其高耗氧耗能导致的损伤敏感性，成为衰老的“重灾区”。Ｄ－半乳糖模型能在表观行为、脑组织病理和生化分子方面成功模拟出脑老化的状态，其致衰老的启动机制氧化应激易发生在能量代谢最活跃的脑部，累积的 ＲＯＳ 损伤线粒体，进一步可抑制自噬清除，使脑细胞亚生理活动首当其冲受到 Ｄ－半乳糖的影响，持续的氧化应激加重神经炎症，诱发凋亡衰老，破坏脑部形态功能。Ｄ－半乳糖对各种衰老机制都能产生作用，各机制间也并非独立运行，而是相互联系、协同加速衰老的进程，这种机制联合体现出神经退行性疾病多因素致病的特点，且在神经退行性疾病尤其是阿尔茨海默病的模型构建中，得到特别青睐。由于脑老化疾病的复杂性和多样性，近年来衍生出以D-半乳糖诱导的脑老化模型为基础，配合具有目标疾病神经毒性的药物共同制备的复合式造模法，如D-半乳糖联合Ａβ 类寡聚体、Ｄ-半乳糖联合 A1C13及D-半乳糖联合 NaNO2制备的 AD 模型。另外，除了体内的动物实验外，D－半乳糖还能用于体外细胞的加速衰老模型。重要的是，利用该模型探索的治疗方法或干预措施可以转化为临床应用。研究人员在D－半乳糖模型中观察到低水平激光治疗的效果后，发现该疗法可能会恢复ATP以延缓衰老人类的认知能力下降；在D-半乳糖模型中起抗衰老作用的花青素，也已被证实可以改善老年人的认知行为和大脑功能。此模型的大量研究和实践已充分说明其可行性，以及作为加速脑衰模型的优势和广阔前景。 3.2 模型的局限性 一些研究提出质疑，表示对1月龄的 Wistar大鼠腹膜内注射300ｍｇ/ kg的D－半乳糖 8 周没有发现影响焦虑水平、空间学习、记忆和神经发生。有的研究指出Ｄ-半乳糖诱导的衰老与啮齿动物中天然发生的衰老并不完全一致，建议 Ｄ-半乳糖更适合诱导多囊卵巢综合征（PCOS）而不是衰老；D－半乳糖模型鼠虽然某些指标接近自然衰老，但免疫、行为等方面存在较大差异，用于氧化损伤研究尚可，不能完全反映真实衰老情况。这与Ｄ-半乳糖模型的研究自发于各个领域的独立团队有关，各实验室在实验设置上存在差异，关于动物的品系、年龄以及注射剂量、方式和时间间隔尚未达成共识，造模过程缺乏标准化，研究结果质量也参差不齐，有些缺少降低偏移风险的报告。但D－半乳糖致衰老的公认机制是通过氧化应激的扳机产生机体损伤，而加速衰老是指衰老表型的表现早于实际年龄，并且是由累积的适应不良和以氧化应激和慢性炎症为特征的病理引起的，因此D-半乳糖用于模拟衰老早期反应是被认可且理想的。已有的大量结果证明，D-半乳糖是能够通过氧化损伤进一步导致后续老化病程的，各实验室造模得到的老化结果不一，并不能完全否认D-半乳糖致衰老的最终效果，至于这种继发或原发（尚未了解的D-半乳糖效应）于D-半乳糖诱导形成的全方位多因素衰老模型，要如何准确稳定的制备出来，则需要进一步的探索和完善。 ４.总结 综上，Ｄ-半乳糖的过量摄入可用作诱发脑老化的加速衰老模型，氧化应激作为D-半乳糖启动衰老的机制，可进一步通过ROS 加重线粒体障碍和抑制自噬，造成代谢紊乱，并继续协同脑细胞凋亡和炎症、神经功能障碍等模拟脑衰进展。Ｄ-半乳糖诱导早期脑老化的研究已得到广泛研究认可，其对后续衰老进程的影响则仍需深入探索。 来源：中国比较医学杂志 往期动物模型相关推文 ▶  PM2.5 对代谢相关脂肪性肝病模型小鼠 肝淋巴生成的影响 ▶  广州医科大学团队：甘露特钠或可阻断急性胰腺炎重症化 ▶  长爪沙鼠脑缺血和听觉障碍模型研究进展 ▶  吸烟害苦了周边人！王频/邹晓平/杭渤/毛建华团队发现三手烟暴露促进小鼠和人类胃肿瘤的发展 ▶  首次用猪模型进行的远程遥距磁控内窥镜手术完成 高创汇 高圣生物·模式动物·药效学评价项目 ▶ 转基因模式动物|条件性敲除鼠|纯合子筛选 ▶ 肿瘤原位模型|心梗模型|MCAO脑梗模型|脊髓/神经损伤模型|衰老模型等药效学建模 ▶ 类器官|药代动力学|体外药理学|分子病理学|动物影像学|行为学|毒理学研究

引言 DNA 修复和自噬是维持细胞生存的两个关键生物学过程。DNA修复负责修复DNA损伤，确保基因组稳定；而自噬则负责清除细胞内多余的、受损的、错误折叠或聚集的蛋白质和细胞器，维持细胞稳态。拓扑异构酶 I (TOP1) 在DNA复制和转录中起着至关重要的作用，它通过切断DNA形成超螺旋结构，释放扭转应力。然而，TOP1与DNA形成的共价键——TOP1cc是一种有害的DNA损伤，会导致基因组不稳定和细胞死亡。TOP1cc修复主要依赖于酪氨酸DNA磷酸二酯酶 1 (TDP1) 介导的切除修复或MRE11核酶介导的DNA切割和切除修复【1】。然而，TOP1cc的修复过程与蛋白质降解途径的关系尚不清楚。自噬因子在DNA复制叉附近富集，表明自噬可能在DNA损伤修复中发挥作用。TEX264是一种保守的蛋白质，既是自噬受体，也与TOP1cc修复有关【2】。然而，TEX264是否通过自噬介导TOP1cc修复，目前尚不清楚。 近日，来自英国牛津大学拉德克利夫医院的Kristijan Ramadan研究团队在Cell杂志上发表题为TEX264 drives selective autophagy of DNA lesions to promote DNA repair and cell survival的研究论文，该研究发现了TEX264介导的核吞噬作用在维持基因组稳定性和细胞存活中发挥关键作用。 首先通过免疫共沉淀和蛋白质组学分析，研究人员发现自噬相关蛋白（如Beclin-1、TEX264、CHMP7、ATG7、SNAP29）在DNA复制叉处富集，并且这种富集在CPT（诱导DNA复制压力的化合物）处理后被显著增强，这表明自噬可能在响应 DNA 复制压力时发挥作用。接着，研究人员使用LysoIP技术分离溶酶体，并通过质谱分析其蛋白质组成。结果表明，CPT 处理后，许多DNA复制和核蛋白（如DNA聚合酶、MCM复合物蛋白、核孔复合物）被运送到溶酶体，表明溶酶体可能直接参与 DNA 损伤的清除。 进一步，研究人员发现用CPT处理后，TOP1cc水平的恢复受到mTOR抑制剂Torin的促进，而自噬抑制剂ATG7的缺失则完全阻止了TOP1cc的修复，证明自噬是TOP1cc修复的关键途径。其他自噬相关蛋白，如syntaxin 17和RB1CC1，也参与了TOP1cc的降解和细胞对CPT的存活，说明自噬修复TOP1cc的过程是一个复杂的网络，涉及多个自噬相关蛋白。使用mCherry-TOP1-GFP报告系统证实了TOP1在低剂量CPT处理后进入溶酶体，表明 TOP1cc可以直接被溶酶体降解。 通过分析γ-H2AX 和53BP1的定位，研究人员发现低剂量CPT诱导的DNA损伤主要表现为复制压力，而不是DNA 双链断裂。此外，研究人员发现ATR抑制剂VE-822强烈抑制了TOP1cc的运送，而ATM抑制剂KU-55933没有影响，这表明ATR在响应DNA复制压力和促进 TOP1cc 降解中起着关键作用。自噬抑制剂ATG7和syntaxin 17的缺失加剧了低剂量 CPT 处理后蛋白质聚集物的形成，说明自噬在防止蛋白质聚集物形成中发挥作用。 最后，研究人员发现MRE11核酶的缺失强烈抑制了TOP1cc的运送，而MUS81和TDP1的缺失没有影响，表明MRE11核酶在将TOP1cc从核内运送到溶酶体中起着关键作用。使用 LysoIP-Seq技术分离溶酶体中的DNA片段，并通过测序分析其序列特征。结果表明，溶酶体中分离的DNA片段主要来自核内 DNA，且大部分来自内含子和着丝粒区域，表明溶酶体可以清除整个TOP1cc损伤，包括其蛋白质部分和相关的DNA片段。使用 TOP1cc 特异性抗体和LysoIP等技术证实了TOP1cc在低剂量CPT处理后在细胞质中的存在。这表明 TOP1cc可以从核内被运送到细胞质，并被溶酶体降解。 图1 TEX264驱动的选择性自噬促进DNA修复和细胞存活（Credit: Cell） 总之，这项研究证明了选择性自噬在DNA修复中的进化保守作用，并表明它对维持基因组稳定性和细胞存活至关重要。此外，该发现还表明，在治疗结直肠癌患者时， TEX264的表达水平与对伊立替康等TOP1抑制剂的化疗反应相关。 参考文献 1. Pommier, Y. (2006). Topoisomerase I inhibitors: camptothecins and beyond. Nat. Rev. Cancer 6, 789–802. https://doi.org/10.1038/nrc1977.7. Stingele, J., Bellelli, R., and Boulton, S.J. (2017). Mechanisms of DNA–protein crosslink repair. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 563–573. 2. Fielden, J., Wiseman, K., Torrecilla, I., Li, S., Hume, S., Chiang, S.-C., Ruggiano, A., Narayan Singh, A., Freire, R., Hassanieh, S., et al. (2020). TEX264 coordinates p97- and SPRTN-mediated resolution of topoisomerase 1-DNA adducts. Nat. Commun. 11, 1274. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00911-5 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述