新冠病毒被证实会导致DNA损伤和细胞衰老，这会加速癌症和人类衰老吗？
2023-03-22 生物世界 生物世界 发表于上海
新冠病毒（SARS-CoV-2）是一种RNA病毒，是COVID-19大流行的罪魁祸首。其30 kb的基因组编码26个多肽/蛋白，包括16个非结构蛋白， 4个结构蛋白（例如核衣壳蛋白）和6个附属蛋白。
病毒感染会影响多个细胞通路，包括细胞自噬、泛素-蛋白酶体系统（UPS），以及DNA损伤反应（DDR）。虽然有不少关于DNA病毒与DDR之间相互作用的研究，但还缺乏RNA病毒对宿主基因组完整性和DDR影响的具体描述和机制探索。
COVID-19大流行以来的许多研究显示，新冠病毒对人类健康的影响比其他呼吸道病毒更大，其感染还会导致长期新冠（Long COVID），似乎还会导致感染者加速衰老。
细胞核DNA是唯一不可替代的细胞成分，新冠病毒感染所造成的这些严重健康后果，是否是其对细胞核DNA产生了损伤所导致的呢？
2023年3月9日，意大利AIRC分子肿瘤研究所的研究人员在 Nature 子刊 Nature Cell Biology 上发表了题为：SARS-CoV-2 infection induces DNA damage, through CHK1 degradation and impaired 53BP1 recruitment, and cellular senescence 的研究论文。
该研究发现，新冠病毒（SARS-CoV-2）感染会在体外培养细胞中和体内都引起DNA损伤。在机制上，新冠病毒表达的蛋白ORF6和NSP13分别通过蛋白酶体和自噬引起DNA损伤反应激酶CHK1的降解。CHK1缺失导致合成DNA的脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP）减少，从而导致DNA复制受损。此外，新冠病毒核衣壳蛋白（N蛋白）通过与损伤诱导的长非编码RNA（dilncRNA）结合抑制53BP1蛋白招募，从而减少DNA损伤修复。DNA损伤的出现和修复受损的积累，导致了细胞衰老和炎症发生。
也就是说，作为RNA病毒的新冠病毒在感染细胞后，自身RNA复制消耗了大量核糖核苷三磷酸（rNTP），而这是以牺牲细胞自身DNA复制所需的脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP）为代价，此外，新冠病毒还劫持了损伤诱导的长非编码RNA（dilncRNA）威胁素质基因组完整性，激活DNA损伤反应、导致DNA损伤积累，诱导炎症和细胞衰老。
这些研究结果揭示了新冠病毒感染对细胞生物学的深远影响，它们威胁着最重要的细胞成分——细胞核DNA。众所周知，DNA损伤积累与癌症和衰老有关。
为了确定新冠病毒感染是否会激活DNA损伤反应（DDR），研究团队用新冠病毒感染人类细胞系，并对DDR标志物进行免疫印迹分析。结果发现，新冠病毒感染确实激活了DDR。然后，研究团队使用单细胞凝胶电泳实验证实了新冠病毒感染后的细胞存在DNA碎片。这些事件伴随着促炎信号产生和细胞衰老出现。
接下来，研究团队探究了新冠病毒感染导致DNA损伤反应（DDR）的分子机制。研究团队发现，新冠病毒表达的蛋白质通过不同的机制劫持细胞核苷酸代谢。具体来说，病毒因子ORF6和NSP13促进了检查点激酶1（CHK1）的降解，而CHK1是一种参与协调DDR的酶。CHK1水平的降低被认为会导致核糖核苷三磷酸（rNTP）的积累，这是促进RNA病毒复制所必需的（新冠病毒正是一种RNA病毒）。然而，rNTP的积累似乎是以dNTP减少为代价的，新冠病毒感染后，细胞内dNTP水平显著下降，这导致了DNA复制受损和DNA损伤。
此外，研究团队还发现了新冠病毒感染的细胞中DNA断裂积累的证据，因为损伤的DNA没有得到及时有效的修复。具体来说，新冠病毒的核衣壳蛋白（N蛋白）和53BP1蛋白竞争与损伤诱导的长非编码RNA的结合，损害了结合蛋白53BP1的局部募集，从而减少了DNA修复。
总的来说，这些发现表明，新冠病毒感染后既会诱导DNA损伤，也会损害DNA损伤后修复，最终导致细胞衰老并传播炎症。该研究还进一步证明了这些事件在新冠病毒感染的小鼠模型和人类中都在发生。
新冠病毒感染对宿主基因组完整性和细胞衰老的双重影响，左侧：新冠病毒感染促进CHK1降解，导致核糖核苷二磷酸还原酶亚基（RRM2）减少，进一步导致DNA合成所需dNTP水平下降、抑制了DNA复制，造成DNA损伤；右侧：新冠病毒核衣壳蛋白（N蛋白）与损伤诱导的长链非编码RNA（dilncRNA）结合，导致53BP1失活和DNA修复缺陷。
这些研究结果揭示了新冠病毒感染对细胞生物学的深远影响，它们威胁着最重要的细胞成分——细胞核DNA。众所周知，DNA损伤积累与癌症和衰老有关。尽管目前尚不清楚新冠感染对肺癌等癌症发病率的长期影响，但已有不少研究显示其会加速衰老表型。
这些发现可能为具有加速衰老特征的后新冠综合征提供了一种机制解释，新冠感染所导致的细胞衰老和炎症触发可能是一个重要的促成因素。事实上，慢性炎症被认为是肺纤维化、大脑退化和全身虚弱的根本原因。因此，新冠感染后的一开始局限于呼吸系统的问题可能会进一步产生全身性后果。
该论文的通讯作者 Fabrizio d'Adda di Fagagna 表示，这项工作源于2019年的一次会议，在会议上自己听到了一个数据——新冠病毒感染的细胞中三分之二的转录组来自新冠病毒。这里可在自己脑海中形成了一个想法——这必然会细胞执行正常功能所需的核苷酸可用性产生了巨大影响。虽然自己的实验室并非研究病毒生物学，但自己博士阶段恰好是研究HIV病毒，这也让自己重拾对病毒的研究热情。之前的研究已经证明了DNA损伤和DNA损伤反应（DDR）的激活与端粒诱导和癌基因诱导的细胞衰老的相关性，而这项研究拓展了DNA损伤和DNA损伤反应（DDR）的激活与病毒诱导的细胞衰老的相关性。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41556-023-01096-x
https://www.nature.com/articles/s41556-023-01097-w
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