综述：与C9orf72相关的肌萎缩侧索硬化症-额颞叶痴呆及其与DNA损伤反应的关联：一项系统评价

《Frontiers in Molecular Neuroscience》：C9orf72-related amyotrophic lateral sclerosis-frontotemporal dementia and links to the DNA damage response: a systematic review

　　该系统综述分析了12项研究，发现C9orf72基因G4C2重复扩张通过四重机制导致DNA损伤积累：ATM通路受阻、DNA修复效率下降、R环形成及线粒体功能障碍与氧化应激。这些损伤激活了STING通路，并引发重复扩增的级联反应。治疗策略包括抗氧化剂（如Trolox）、修复蛋白调控（如SETX过表达、Ku80/p53基因干预）及靶向DDR通路，在动物模型中显示延长寿命和改善运动功能。研究强调DNA损伤在C9orf72相关神经退行性疾病中的核心作用，并提出基于基因背景的个性化治疗新方向。

　　在本系统综述中，我们探讨了与C9orf72基因重复扩展相关的DNA损伤及其对肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）的影响。C9orf72基因的G4C2重复扩展是导致这些神经退行性疾病的主要遗传因素之一。研究发现，这种重复扩展不仅在家族性病例中常见，而且在部分散发性病例中也起着重要作用。该基因的异常重复不仅会影响蛋白质功能，还会引发多种DNA损伤机制，进而影响基因组稳定性。这些发现为理解C9orf72相关疾病的病理机制提供了新的视角，并可能为开发新的治疗策略奠定基础。

### DNA损伤的机制

DNA损伤在C9orf72相关ALS和FTD中扮演了重要角色。研究表明，这种基因的重复扩展和由其引发的二肽重复蛋白（DPRs）可以通过多种方式影响DNA稳定性。首先，C9orf72重复扩展会干扰ATM（Ataxia-Telangiectasia Mutated）信号通路。ATM是DNA损伤响应（DDR）中的关键因子，能够激活下游修复蛋白如53BP1和pATM。然而，C9orf72的异常重复导致ATM激活受损，影响了DNA损伤的检测和修复。例如，在细胞模型中，G4C2重复扩展会显著降低53BP1和pATM的核焦点数量，这可能与RNF168介导的泛素化受阻有关。这种机制在不同实验模型中均被观察到，表明ATM信号通路的损伤是C9orf72相关疾病中DNA损伤积累的重要原因。

其次，C9orf72的异常重复会削弱DNA修复效率。特别是非同源末端连接（NHEJ）和单链退火（SSA）修复通路受到显著影响。在多种细胞模型中，包括人类细胞系、诱导多能干细胞（iPSC）衍生的神经元和小鼠模型，研究发现重复扩展的DPRs会干扰NHEJ修复过程，导致DNA断裂（DSB）的累积。例如，在U2OS细胞中，携带C9orf72 DPRs的细胞表现出显著的NHEJ效率下降，而与DNA-PKcs和Ku蛋白的结合能力也受到影响。这些结果提示，C9orf72蛋白在维持DNA修复通路中的作用至关重要，其功能缺失可能导致DNA损伤无法被及时修复。

第三，C9orf72重复扩展和DPRs会促进R-loop的形成。R-loop是DNA-RNA杂交结构，可能干扰DNA复制和修复过程。在MRC-5成纤维细胞和大鼠皮层神经元中，研究发现C9orf72重复扩展会显著增加R-loop的形成。此外，R-loop的积累还与DNA损伤密切相关，特别是在含有聚谷氨酰胺（poly-GA）的模型中，R-loop的增加导致DNA损伤标记物γH2AX的显著升高。通过增强SETX（Senataxin）的表达，可以部分缓解R-loop的积累及其引发的DNA损伤和细胞毒性，这为治疗策略提供了新思路。

第四，C9orf72相关DNA损伤还与线粒体功能障碍和氧化应激密切相关。研究发现，C9orf72患者iPSC衍生的运动神经元中，poly-GR的表达会导致线粒体中活性氧（ROS）水平的升高，进而引发DNA损伤。此外，线粒体膜电位的变化也被观察到，这可能与线粒体功能受损有关。这些发现表明，线粒体功能障碍可能是DNA损伤的另一个重要驱动因素，尤其是在与C9orf72相关疾病中，poly-GR的表达更倾向于引起线粒体应激和DNA损伤。

### DNA损伤的后果

DNA损伤不仅会导致基因组不稳定，还可能引发一系列病理后果。其中，一种重要的后果是DNA损伤引发的重复扩展。研究发现，DNA断裂会通过DNA错配修复（MMR）和同源重组修复（HDR）机制加速C9orf72重复的扩展。这种机制在多种实验模型中被验证，包括人类iPSC衍生的神经元和小鼠模型。此外，DNA损伤还可能激活STING（stimulator of interferon genes）通路，这是一种与细胞应激和免疫反应相关的信号通路。在C9orf72相关ALS和FTD患者中，STING通路的激活被观察到，特别是在Betz细胞和脊髓运动神经元中。这种激活可能与DNA损伤的积累有关，并可能促进炎症反应和神经退行性变化。

### 治疗策略

基于对DNA损伤机制的深入理解，研究者提出了一些潜在的治疗策略。首先，通过抗氧化剂如Trolox来减少氧化应激，可能有助于缓解DNA损伤。在C9orf72患者iPSC衍生的运动神经元中，Trolox的使用显著降低了DNA断裂的水平。其次，增强SETX的表达可以有效减少R-loop的积累，从而降低DNA损伤和细胞毒性。此外，通过调节关键DDR因子如Ku80或p53的表达，也可以减轻DNA损伤引发的细胞凋亡。例如，在C9orf72患者iPSC衍生的运动神经元中，Ku80的基因剂量减少能够显著降低pATM和p-p53的水平，从而延缓神经元的死亡。这些发现表明，针对DNA损伤响应通路的干预可能成为治疗C9orf72相关疾病的潜在方法。

### 实验模型的多样性与局限性

本综述涵盖了多种实验模型，包括细胞模型、动物模型和患者来源的组织样本。这些模型在揭示C9orf72相关DNA损伤的机制方面发挥了重要作用。然而，研究也指出了一些局限性。首先，大多数研究主要集中在C9orf72 DPRs的影响，而对其他可能的机制如C9orf72功能缺失和RNA重复扩展（RREs）的探讨较为有限。其次，不同研究在检测DNA损伤和R-loop的方法上存在差异，这可能导致结果的不一致性。此外，动物模型中的DNA损伤研究仍面临方法学上的挑战，如随机化、盲法和样本量的控制等，这些因素可能影响研究结果的可靠性。

### 结论

综上所述，C9orf72重复扩展和DPRs通过多种机制影响DNA损伤和基因组稳定性，进而导致ALS和FTD的病理发展。这些机制包括ATM信号通路的受损、DNA修复效率的降低、R-loop的形成以及线粒体功能障碍和氧化应激的增加。研究还发现，DNA损伤可能通过激活STING通路引发免疫反应，进一步加剧神经退行性变化。因此，针对DNA损伤响应通路的干预可能成为治疗C9orf72相关疾病的潜在策略。然而，由于实验方法的多样性，未来的研究需要更加标准化的检测手段，以提高结果的可比性和可靠性。此外，针对C9orf72相关疾病的治疗策略应考虑患者的遗传背景，以实现更个性化的治疗方案。这些发现不仅加深了我们对C9orf72相关疾病机制的理解，也为开发新的治疗方法提供了重要的理论基础。