“我命由我不由天”——OGG1小分子激活剂“逆天改命”

撰文 | 言笑

DNA分子的主要氧化产物8-氧-鸟嘌呤（8-oxoguanine,8-oxoG）是DNA氧化损伤的生物标志物。8-oxoG具有高度致突变性，在通过DNA聚合酶进行复制时，产生G:C-T:A颠换突变。在哺乳动物细胞中，主要通过OGG1介导的碱基切除修复通路清除8-oxoG（DNA氧化损伤可以被OGG1识别，为无嘌呤内切酶1（apurinic endonuclease 1,APE1）留下底物并启动修复）。OGG1在DNA修复、癌症和炎症中的重要作用促进了OGG1抑制剂的发展，包括O8、SU0268和TH5487，可能被用作抗癌或抗炎剂【1-3】。与此同时，OGG1的小分子激活剂也被报道【4-5】。已有研究提出这些小分子在高氧化应激条件下（例如阿尔茨海默病和肥胖症）靶向OGG1的应用【6-8】。为了能够在疾病模型中应用OGG1的小分子激活剂，需要在分子水平上了解其作用机制。

2022年6月24日，来自瑞典卡罗林斯卡学院的Thomas Helleday团队在Science杂志上在线发表了一篇题为Small-molecule activation of OGG1 increases oxidative DNA damage repair by gaining a new function的文章，研究人员发现小分子TH10785通过与OGG1苯丙氨酸-319和甘氨酸-42相互作用，使OGG1酶活性增加了10倍，并产生了一种以前未描述的b,d-裂解酶功能。TH10785控制OGG1分子结构内含氮碱基介导的催化活性。在细胞中，TH10785增加OGG1在DNA氧化损伤处的募集和修复。该修复过程不再需要APE1，而是依赖于多核苷酸激酶磷酸酶（polynucleotide kinase phosphatase,PNKP1）的活性。因此，用小分子增加DNA氧化损伤的修复有望应用于治疗各种疾病和衰老。

OGG1作为一种双功能糖基化酶，仅具有较弱的b-消除功能，需要APE1对AP（脱嘌呤/脱嘧啶，apurinic/apyrimidinic）位点进行切口和PUA切除，才能产生与DNA聚合酶相容的3′-OH末端。而其他DNA糖基化酶，除DNA糖基化酶功能外，还能催化额外的b,d-消除（包括切开AP部位并去除由此产生的PUA），通过PNKP1消除产生的3’磷酸后，生成与DNA聚合酶兼容的3′-OH末端（图1A），因此，这些酶的功能可独立于APE1。有意思的是，作者观察到，在没有APE1的情况下，OGG1小分子激活剂TH10785 可以剂量依赖性地刺激OGG1切除8-oxoA:C（图1B）。在TH10785作用下OGG1可催化产生两种产物：预期产物18-mer-3’PUA/15-mer-3’PUA和具有更快电泳迁移率的18-mer-3’P/15-mer-3’P（图1C-D）。体外重建实验证实，TH10785允许OGG1通过先前未描述的b,d活性有效地切割AP位点。随后，作者解析了TH10785与OGG1结合的共晶结构，发现TH10785与催化位点结合，该结合对TH10785激活OGG1至关重要。TH10785作为必要的辅助因子，通过刺激底物翻转增强OGG1 b-消除并诱导d-消除。

图1. OGG1激活剂TH10785在体外诱导b,d-消除，允许AP位点作为新的底物

随后，作者在细胞中探究了TH10785对OGG1活性的调控作用。TH10785增加了OGG1-GFP在激光诱导的DNA损伤部位的招募。KBrO3处理细胞后会同时产生8-oxoG和AP位点。作者通过LC-MS/MS和IF定量了KBrO3处理后U2OS细胞中的8-oxodG水平：当使用不同的TH10785浓度时，8-oxodG水平会随着时间的推移而下降；相反，使用TH5487观察到对糖基化酶活性的抑制。与DMSO相比，在TH10785存在下8-oxodG的修复减少。随后，作者通过荧光活化细胞分选监测AP位点。虽然TH5487和TH10785都减少了KBrO3诱导的AP位点，但TH5487减少了核gH2AX病灶的形成，表明OGG1糖基化酶活性的损伤导致AP位点的数量减少；相反，TH10785显著上调了核gH2AX病灶的形成，证实了TH10785催化活性下DNA链断裂的产生。这些结果表明，细胞中TH10785激活的OGG1更偏好于AP位点而不是8-oxoG。

最后，作者测试了TH10785在细胞中诱导b,d-消除的程度。同时刺激b,d-消除和阻断PNKP1活性应使系统过载未成对的DNA单链断裂。数据显示，只有当PNKP1i与OGG1激活剂联合时才会诱导强DNA损伤响应（DNA damage response, DDR），并在体外引起b,d-裂解酶活性。为了进一步评估因果关系，作者使用RNA测序监测转录变化，发现PNKP1i与TH10785联合使用，诱导了识别和修复DNA双链断裂的关键参与者的显著转录上调。此外，与TH10785的PNKP1抑制联合降低了细胞活力，而TH5487则没有类似作用。这些结果表明TH10785对OGG1 b,d-裂解酶活性的激活在体外和细胞中均发生，并且PNKP1对于避免DNA损伤的积累和随后的细胞死亡至关重要。

总的来说，该研究提出了一个新概念：通过小分子催化剂诱导OGG1 b,d-裂解酶活性。TH10785引起的新催化功能更偏好于AP位点而不是8-oxoG，并在体外和细胞中产生PNKP1依赖性。DNA氧化损伤修复途径的改善或重定向在许多情况下都具有重要意义，例如炎症、癌症、阿尔茨海默病和衰老。该研究提出的新概念为以新方式控制和重定位修复途径提供了坚实的理论基础。

https://science.org/doi/10.1126/science.abf8980

制版人：十一

参考文献

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