摘要
有缺陷的DNA损伤和修复过程是COPD重要http://ow.ly/edRb30lTF2J
香烟烟雾暴露是慢性阻塞性肺病(COPD)和肺癌的发达世界的主要驱动力[1]。COPD影响超过4.5亿人,而全球肺癌死亡的人的最大原因与癌症[2,3]。香烟烟雾介导的DNA损伤导致细胞凋亡,细胞衰老,炎症和诱变,这已全部COPD的发病机制[4,五]. 在COPD肺组织(有或无相关肺气肿)和血液(包括干细胞)、气道上皮细胞和肺成纤维细胞原代细胞中,DNA损伤和修复途径的成分已经减少[6-10]。不能正确地修香烟烟雾诱导的DNA损伤也有报道在COPD [8]和基因连结COPD易感性注意到[9,11]。证据也牵连肺癌患者和对治疗的反应的DNA损伤和修复机制[12,13]。然而,与这些疾病相关的DNA损伤和修复的精确机制尚不清楚。
对DNA损伤和修复存在[几种机制14,15]其中包括:逆转共价修饰核苷酸的直接修复途径;修复错误或受损碱基的碱基切除修复;修复异常核苷酸插入或缺失的错配修复;以及修复导致RNA聚合酶停滞区域的核苷酸切除修复(NER)。此外,双链断裂可以通过同源重组或非同源末端连接进行修复。最后,Fanconi贫血途径整合了多种DNA修复途径来修复跨链交叉连接。
到现在为止出现了DNA损伤和修复途径在COPD肺组织没有系统的分析。小号auler等。[16]采用基于假设的生物信息学方法,测定了来自三个独立队列的1100多名受试者肺组织中419个选择的DNA修复和重组(DRR)途径基因的异常表达:肺基因组研究联合会(LGRC),俄亥俄州立大学(OSU)队列和肺表达数量性状基因座(Lung eQTL)队列。这些队列包括阻塞性肺病全球倡议(GOLD)1-4期(GOLD 3期除外)患者。
基因表达在OSU的研究,由于样本大小标准化,并调整了年龄,吸烟在LGRC和龙eQTL研究现状(现在是,过去,从来没有),和性别,但不是。小号auler等。[16]比较这些基因的非常严重的慢性阻塞性肺病中的表达(GOLD 4)与非重症疾病(GOLD 1,2)和极重度COPD(GOLD 4)与控制(GOLD 0)。他们报道在一个错误发现率<0.1和它们的使用RNA测序和差异显示逆转录(DDRT)-PCR在LGRC队列的一个子集技术被证实15的18个基因在极重度COPD的差异表达。
K-均值聚类在所有LGRC患者的这些15个基因与鉴定出具有不同的临床特征三个簇COPD(GOLD 1-4)。Patients in cluster 1 (n=65) had milder disease that, as clinically expected, was characterised by less pulmonary emphysema and less impairment of diffusing capacity of the lung for carbon monoxide and highest lung function (forced expiratory volume in 1 s), exercise tolerance (as measured by the 6-min walk test), quality of life (St George's Respiratory Questionnaire scores) and BODE (body mass index, airflow obstruction, dyspnoea, exercise capacity) index. Whereas no clinical/functional/radiological and/or pathological features distinguished the more severe patients in cluster 2 and cluster 3. Interestingly, there were no differences in sex, pack-years, race or average age across the three clusters.
然后三种生物信息学方法(基因集富集分析,Z分数和加权基因关联网络分析)应用于鉴定与疾病严重程度相关的已知DNA损伤和修复途径的转录变化。研究发现,错配修复,NER,同源重组,非同源末端连接和范可尼贫血通路呈负相关(即保护)与COPD严重到不同的程度。相比之下,只有直接修复途径与严重程度呈正相关。
加权基因关联网络的分析,鉴定的其中几个与疾病严重程度相关共表达的基因40个的模块。加权基因关联网络分析的优点是,它关联该联营公司与特定的临床特点无论多小的差别,所以通路,所有的基因有一个小的差异,但在同一个方向,这些都在改变中给出的重量,而不是所有的基因到通路只有单个基因可以改变表达。用于每个模块内识别DRR MetaCore的途径分析。Ťhe yellow module had the strongest negative correlation with measurements of disease severity (pulmonary emphysema, diffusing capacity of the lung for carbon monoxide, forced expiratory volume in 1 s, 6-min walk test, St George's Respiratory Questionnaire and BODE index, all r>0.4 and p<10-7)对内质网途径最为丰富。在COPD严重程度的临床指标中显示高模隶属度和基因意义的特异基因包括着色性干皮病A组补体蛋白(XPA)和切除修复交叉互补组5(ERCC5)。这三种方法一起表明NER途径的下调是高度与COPD严重程度有关。这强调了减少DNA修复可能在COPD的发病中起了关键作用。
小号auler等。[16]采取重要步骤,用免疫组织化学方法检测三个基因簇中几个差异表达基因的蛋白表达。支气管/细支气管上皮细胞、内皮细胞和肺泡巨噬细胞中DNA损伤和修复基因的表达最高。尽管分析的少量样本(n=5)意味着并非所有差异表达基因都在蛋白质水平上得到证实,但重度COPD 3型患者的NER蛋白损伤特异性DNA结合蛋白2(DDB2)和Nei样DNA糖基化酶1(NEIL1)表达均降低。此外,非常严重的COPD与15个DDRT-PCR基因中的3个上调、生长停滞和DNA损伤诱导蛋白GADD45α(GADD45A)和β(GADD45B)以及单链DNA结合蛋白寡核苷酸/寡糖结合蛋白2A(OBFC2A)相关。
总体而言,这些数据具有用于增加与COPD患者相关联的肺癌发病率的影响为NER途径是用于检测和移除笨重DNA加合物[主要负责17],如由环境诱变剂(如香烟烟雾)引起的多环芳烃,因此对防止香烟烟雾引发的致癌作用至关重要。尽管在本研究中,内质网是与严重COPD相关的最显著的DNA损伤和修复失调途径,但在COPD亚型中,其他途径可能也很重要。
全球范围内,数据亮点在驱动COPD和DNA损伤和修复途径的损失的关键重要性,在这些患者[看到肺癌的发病率增加的电位链路18]。过量的DNA损伤,由于减少NER会导致细胞死亡,组织破坏和炎症这是在COPD的关键因素[19]。
全基因组也被用于转录分析,以确定与每个集群相关联的特定的非DRR通路。为两个群集1顶端富集途径(白介素(IL)-1,IL-3,IL-5,IL-6,IL-17和IL-18)和第3组(IL-3,IL-5,IL-10和IL-17)均与细胞因子信号。的IL-5途径是在两个集群的顶部调节途径,但在簇1被下调和上调簇群集3 3也表现出上调的核因子的κB途径确认我们小组以前的数据[20]. 这就提出了一个问题,即第3组患者是否有更多的组织嗜酸性粒细胞,对抗嗜酸性粒细胞治疗或吸入糖皮质激素是否有更大的反应。这将是今后调查的一个有趣的领域。
相反,严重的2型细胞簇的特征是转化生长因子-β和WNT途径的上调,这意味着在2型细胞簇内的患者有更大程度的细胞粘附和细胞骨架重塑,但也可能与自身免疫有关[21]。
炎症增强和下呼吸道异常重塑是COPD发病机制的良好描述[19]. 此外,在炎症-自身免疫和肺癌发生之间还有潜在的有趣的分子交互作用。例如,多环芳烃是肺癌发生的主要诱因,血清中有抗多环芳烃抗体和抗多环芳烃DNA加合物抗体[22]。可能的是,未来的研究可以发现DNA损伤具有触发两个导向肺自身免疫反应和致癌加合物说明两者COPD的自身免疫基础以及它们与肺癌的潜在链路的电位[23,24]。
示范的患者不同子集根据DNA损伤和修复模式分层表明,未来的COPD子表型,发病机制和药物反应研究应包括除了炎症/自身免疫和组织重塑途径中的DNA损伤和修复模式的分析。
这项研究对进一步的研究领域有一定的局限性和指导意义。作者正确地关注肺癌的影响。然而,可以认为,内质网和其他DNA损伤和修复途径的变化,以及其他已确定的非DNA损伤和修复途径,也可能对肺癌的发展产生影响,并可能表明可以降低发病率的方法。数据还表明,这些DNA损伤和修复表达的变化也可能与COPD的不同表型有关。此外,由于并非所有的DNA损伤和修复基因都被控制在转录水平,这可能解释了在COPD中观察到Ku70等非同源末端连接蛋白变化的早期研究未能复制的原因[8]。类似肺组织样品的蛋白质组分析可以解决这些问题。
DNA损伤和修复蛋白在肺泡巨噬细胞,支气管刷检和内皮细胞通过免疫组织化学方法中表达。全局基因表达的分析已经在支气管肺泡巨噬细胞,支气管刷检和小气道上皮细胞从COPD患者[被执行25-27]。在NER和这些细胞类型扩增的其它DNA损伤和修复途径的减少,其中蛋白被表达?
作者们使用来自三个独立组群的样品,但是在验证独立数据集和/或患者群到会祝贺是必不可少的。例如,在NER中重度COPD患者不同种族背景的降低,是这些观察到的基因和蛋白质的不同临床相关性?
什么是治疗对这些差异表达的基因表达的影响,并且他们预测疾病进展和/或对治疗的反应?在COPD的动物模型中使用条件性敲除小鼠可以提供确定的3个集群的功能更大的信息和提出的一些问题提供答案。CRISPR / Cas9的衰减基因表达的气道组织体模型的应用也将提供疾病模型的进一步了解。
总之,作者利用复杂的生物信息学方法研究了COPD患者的DNA损伤和修复途径的变化,并在3个独立的COPD患者队列中鉴定了15个与疾病严重程度相关的基因。这种15-DNA损伤和修复基因特征识别出三种临床上不同的疾病簇,它们具有与炎症(尤其是IL-5)和重塑途径不同相关的不同的非DNA损伤和修复途径。慢性阻塞性肺病(COPD)中NER通路的表达减少不仅可能导致疾病的变异性,而且可能导致肺癌的发生。
脚注
利益冲突:无申报。
- 收到2018年9月8日。
- 公认2018年9月10日。
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