DNA氧化損傷與慢性阻塞性肺疾病關系的研究進展

許時麗，周玉生，李 榮，盤 捷

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是以咳嗽、咳痰和喘息為臨床表現，具有氣流阻塞特征的慢性支氣管炎和/或肺氣腫，肺功能檢查出現氣流受限，即吸入支氣管舒張劑后，第一秒用力呼氣末容積占用力肺活量的百分比(FEV1/FVC%)<70%，且不能完全可逆[1]。近20年來，COPD的發(fā)病率與死亡率呈逐年上升趨勢，現已成為全世界主要的慢性疾病，每年約600萬人死于COPD，位于死亡原因的第4位，預計到2020年，COPD將成為全球第3大死亡原因[2]。COPD的發(fā)病機制復雜且尚未完全闡明，目前較為認可的發(fā)病機制有肺部慢性炎癥、氧化/抗氧化失衡、蛋白酶/抗蛋白酶失衡等，其中氧化/抗氧化失衡是造成肺組織慢性損傷的重要原因[3]，是當前研究的熱點?，F就氧化/抗氧化失衡導致的DNA氧化損傷與COPD關系的研究進展作一綜述。

1 氧化應激

1.1 氧化應激的分子基礎 氧化應激是指機體內高活性分子如活性氧簇(ROS)和活性氮簇(RNS)產生過多或消除減少，從而導致組織損傷，是引起COPD發(fā)生發(fā)展的重要機制之一。ROS包括超氧陰離子(O2-)、羥自由基(OH-)、單線態(tài)氧(1O2)、過氧化氫(H2O2)、脂質過氧化物(RO·、ROO·、ROOH)等；RNS包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、過氧亞硝酸基陰離子(ONOO-)。氧化應激不僅直接損傷肺組織，還可使炎前遞質基因表達增加、炎性細胞滲出、抗蛋白酶氧化失活，促進COPD的發(fā)生發(fā)展。

活性氧物質可激活核因子kappa-B(NF-κB)和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)等信號通路，上調炎癥基因的表達，引起肺內炎性反應[2,4]。肺內慢性炎性反應和各種炎性因子及前炎性蛋白密切相關，趨化因子如白三烯B4(LTB4)、白介素8(IL-8)可吸引和激活炎性細胞如巨噬細胞、中性粒細胞、T淋巴細胞等，使其變形，游走，釋放大量活性物質，導致或加重機體局部炎性反應。前炎性遞質如腫瘤壞死因子α(TNF-α)可引起中性粒細胞脫顆粒伴蛋白酶釋放，引起溶酶體破壞并釋放溶酶體酶，造成肺泡細胞損傷，且誘導各種炎性因子的產生，介導炎性反應。此外，炎性反應產生大量活性氧，加重肺的氧化損傷[5-6]。

文獻來源：

所引文獻均來源于外文數據庫PubMed，檢索關鍵詞為“COPD”“oxidative stress”“DNA damage”“DNA repair”,優(yōu)先選用近5年發(fā)表的文獻，把檢索到的文獻歸結起來，通過閱讀文題、摘要排除重復和不符合要求的文獻。

中性粒細胞彈性蛋白酶(NE)、組織蛋白酶和巨噬細胞基質金屬蛋白酶(MMP)是COPD發(fā)病過程中重要的蛋白酶。活性氧物質活化炎性細胞，促進細胞彈性蛋白酶和MMP等的釋放，抑制抗蛋白酶(如α1-抗胰蛋白酶)的活性。此外，各種類型蛋白酶之間可以相互影響，降低彼此抗蛋白酶活性，從而導致蛋白酶/抗蛋白酶失衡，過量的蛋白酶可以降解細胞外基質和活化細胞因子，引起肺泡融合、氣道炎癥、杯狀細胞化生和氣道重塑等加劇肺損害的反應[7]。

在正常狀態(tài)下，機體產生少量ROS參與新陳代謝，同時體內存在清除自由基、抑制自由基反應體系，保持自由基的清除和產生平衡。當呼吸道暴露于各種香煙煙霧、粉塵、細菌、病毒等有害環(huán)境時，導致抗氧化系統(tǒng)平衡打破，氧化劑過多，抗氧化劑減少或抗氧化能力減弱，造成肺部組織的損傷[8]。香煙煙霧中有成千上萬種化學物質通過不同途徑刺激肺內炎性反應，募集、活化肺部炎性細胞和免疫細胞，進一步加重氧化/抗氧化失衡。

1.2 氧化應激與DNA損傷 自由基對生物體的損傷主要通過脂質過氧化、蛋白質損傷、DNA損傷和改變信號轉導通路等途徑實現。COPD患者肺的氧化應激表現在肺部脂質膜過氧化，線粒體功能障礙，抗蛋白酶和表面活性劑的氧化失活，黏液分泌過多，肺泡上皮細胞損傷，細胞外基質重建，細胞凋亡和DNA損傷[9-10]。DNA是氧化應激最常見的靶分子，DNA損傷包括鏈內堿基-堿基和堿基-糖交聯物損傷、DNA鏈斷裂[11]。自由基破壞脫氧核糖和染色體，導致磷酸二酯鍵斷裂、堿基破壞與脫落、DNA鏈斷裂、染色體畸變或斷裂。DNA的氧化損傷對其復制和轉錄有阻斷作用，影響蛋白質的合成，引起細胞功能喪失或凋亡，組織變性，可能在急性期COPD的發(fā)生發(fā)展中起一定作用[12]。

2 DNA氧化損傷

2.1 DNA敏感序列及氧化產物 基因組序列對氧化劑攻擊有不同敏感性，修復時有優(yōu)先順序，這決定了氧化損傷的分布。非編碼的DNA序列包括微衛(wèi)星序列(MS)、端粒、啟動子和甲基化的位點，其堿基組成特別容易受到氧化損傷，尤其是鳥嘌呤最容易發(fā)生氧化修飾，8-羥基-鳥嘌呤(8-OH-Gua)、2′-脫氧核苷、8-羥基-2′-脫氧鳥苷(8-OH-dG)是鳥嘌呤最常見的氧化產物。8-OH-dG在DNA損傷修復過程中被核酸外切酶排出細胞外，是氧化劑誘導DNA損傷的標志。COPD患者外周血細胞和肺上皮細胞8-OH-dG明顯升高時，提示肺組織存在DNA氧化損傷[13-14]。

2.2 吸煙與DNA損傷 香煙煙霧可以直接損傷DNA，也可以通過產生ROS對DNA造成損傷。研究表明，香煙煙霧依賴ROS導致肺泡成纖維細胞核酸氧化，是肺氣腫的發(fā)病機制之一[15]。吸煙者與非吸煙者相比，肺外周組織中8-OH-dG表達顯著增加，這意味著吸煙可引起DNA損傷/修復失衡[14]。在香煙煙霧所致肺氣腫小鼠模型中，細支氣管上皮細胞和肺泡上皮細胞(特別是Ⅱ型肺泡上皮細胞)8-OH-dG明顯增多[16]。

2.3 DNA氧化損傷分布 阻抑蛋白1(PHB1)和阻抑蛋白2(PHB2)是線粒體內膜蛋白，與還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)脫氫酶蛋白復合物相互作用，形成的產物對細胞內氧化還原酶活性起決定性作用。吸煙可促進活性氧的產生，損傷線粒體呼吸機制，影響機體的抗氧化能力。研究發(fā)現，從非吸煙者至非COPD吸煙者至COPD患者，PHB1及其mRNA水平呈線性減少，反映了線粒體呼吸功能下降，引起抗氧化能力降低[17]。

COPD患者肺部DNA氧化損傷是血管內皮生長因子(VEGF)啟動子的主要缺氧反應元件(HRE)，引起細胞轉錄反常、細胞變性[18]。

2.4 DNA甲基化與COPD 表觀遺傳是指受煙霧和交通尾氣等環(huán)境因素的影響造成的可遺傳的非編碼DNA改變。表觀遺傳能引起全基因組DNA甲基化改變和特異基因的DNA甲基化改變[19]。全基因組DNA低甲基化和啟動子區(qū)域的DNA過甲基化，是COPD重要的參與機制[20]。在COPD的發(fā)展過程中，發(fā)現DNA甲基化調節(jié)促炎基因的表達，提高炎性因子水平[21-22]。COPD的DNA甲基化狀態(tài)類似于癌癥組織中觀察到的變化，伴隨著特定啟動子的甲基化[23-24]。

2.5 DNA端粒縮短與COPD DNA端?？s短是細胞衰老的特征，端粒長度和COPD之間的關系尚不清楚。有研究已發(fā)現，COPD患者的循環(huán)白細胞端粒長度比健康對照組更短，可能是由于系統(tǒng)性氧化應激增加[25]。

3 DNA修復

3.1 DNA修復方式及效率 DNA修復方式包括直接修復、堿基切除修復、核苷酸切除修復、雙鏈斷裂修復和交聯修復。損傷的核酸需多個修復機制共同作用完成，如堿基切除途徑組件8-OH-Gua-DNA糖苷酶1(OGG1)、核酸內切酶III的同系物1(NTH1)、單鏈選擇性單功能尿嘧啶-DNA糖基化酶1(SMUG1)、核酸結合蛋白和Y-box結合蛋白1(YB1)。COPD患者的DNA修復效率普遍較低，可能是支氣管上皮和結締組織DNA修復機制受到遺傳基因多態(tài)性的影響[26]。

3.2 組蛋白在DNA修復中的作用 研究顯示，組蛋白H3的賴氨酸56(H3-K56)乙?；贒NA損傷和修復過程中起關鍵作用，在哺乳動物細胞中，組蛋白去乙?；?HDAC)則對H3-K56去乙?；鹬匾淖饔肹27]。COPD患者HDAC和SIRT1(依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組蛋白脫乙酰酶)的表達減少，對DNA保護和修復能力降低。

4 DNA損傷可能是COPD的重要發(fā)病機制

細胞受到刺激后引起DNA損傷，隨即作出DNA損傷反應(DDR)，即DNA損傷檢測、DNA損傷信號和DNA損傷修復反應。有研究顯示，由于衰老相關分泌表型(SASP)的顯著改變，繼而破壞細胞的正常組織結構和功能而造成的DNA氧化性損傷可誘導DDR，DDR又能促進肺的慢性炎癥過程[28-30]。當肺泡上皮細胞達到衰老階段，受損的肺泡再生，出現嚴重的肺泡炎，從而促進COPD的發(fā)病過程[31]。

COPD患者細胞存在氧化應激反應，證實了HDAC活性降低與抗氧化劑轉錄因子核呼吸因子2(NRF-2)的乙?；黾佑嘘P。氧化應激降低NRF-2活性，并上調抗氧化酶的表達[32]。此外，NRF-2介導的抗氧化防御系統(tǒng)損傷，伴隨ROS引起表觀遺傳變化(組蛋白修飾)和線粒體功能障礙，似乎延長了氧化應激的過程。

5 總結

總之，DNA氧化損傷是COPD發(fā)病的分子基礎，COPD患者 8-OH-dG表達的增加和線粒體抗氧化能力的降低是DNA修復機制低效的結果。此外，SASP很大程度上是基因組損傷的一個響應，既可以傳遞組織內的損傷信號又可以傳遞組織間的損傷信號，考慮到COPD是與年齡相關的退行性疾病，因此這些損傷信號可能導致COPD。個體間DNA修復效率不同，是個體COPD易感性不同的一個潛在決定因素。

1 Vestbo J,Hurd SS,Agusti AG,et al.Global strategy for the diagnosis,management,and prevention of chronic obstructive pulmonary disease:GOLD executive summary[J].Am J Respir Crit Care Med,2013,187(4):347-365.

2 Rahman I.Pharmacological antioxidant strategies as therapeutic interventions for COPD[J].Biochim Biophys Acta,2012,1822(5):714-728.

3 Yao H,Rahman I.Current concepts on oxidative/carbonyl stress,inflammation and epigenetics in pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease[J].Toxicol Appl Pharmacol,2011,254(2):72-85.

4 Rahman I,Marwick J,Kirkham P.Redox modulation of chromatin remodeling:impact on histone acetylation and deacetylation,NF-kappaB and pro-inflammatory gene expression[J].Biochem Pharmacol,2004,68(6):1255-1267.

5 Barnes PJ.Cellular and molecular mechanisms of chronic obstructive pulmonary disease[J].Clin Chest Med,2014,35(1):71-86.

6 Tuder RM,Petrache I.Pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease[J].J Clin Invest,2012,122(8):2749-2755.

7 Vandenbroucke RE,Dejonckheere E,Libert C.A therapeutic role for matrix metalloproteinase inhibitors in lung diseases?[J].The European Respiratory Journal,2011,38(5):1200-1214.

8 De Vizcaya-Ruiz A,Barbier O,Ruiz-Ramos R,et al.Biomarkers of oxidative stress and damage in human populations exposed to arsenic[J].Mutat Res,2009,674(1/2):85-92.

9 Avery SV.Molecular targets of oxidative stress[J].Biochem J,2011,434(2):201-210.

10 Ciccia A,Elledge SJ.The DNA damage response:making it safe to play with knives[J].Mol Cell,2010,40(2):179-204.

11 Di Pietro A,Visalli G,Munaò F,et al.Oxidative damage in human epithelial alveolar cells exposed in vitro to oil fly ash transition metals[J].Int J Hyg Environ Health,2009,212(2):196-208.

12 Ceylan E,Kocyigit A,Gencer M,et al.Increased DNA damage in patients with chronic obstructive pulmonary disease who had once smoked or been exposed to biomass[J].Respir Med,2006,100(7):1270-1276.

13 Valavanidis A,Vlachogianni T,Fiotakis C.8-Hydroxy-2′-deoxyguanosine(8-OHdG):A critical biomarker of oxidative stress and carcinogenesis[J].J Environ Sci Health C Environ Carcinog Ecotoxicol Rev,2009,27(2):120-139.

14 Caramori G,Adcock IM,Casolari P,et al.Unbalanced oxidant-induced DNA damage and repair in COPD:a link towards lung cancer[J].Thorax,2011,66(6):521-527.

15 Deslee G,Adair-Kirk TL,Betsuyaku T,et al.Cigarette smoke induces nucleic-acid oxidation in lung fibroblasts[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2010,43(5):576-584.

16 Deslee G,Woods JC,Moore C,et al.Oxidative damage to nucleic acids in severe emphysema[J].Chest,2009,135(4):965-974.

17 Soulitzis N,Neofytou E,Psarrou M,et al.Downregulation of lung mitochondrial prohibitin in COPD[J].Respir Med,2012,106(7):954-961.

18 Pastukh VM,Zhang L,Ruchko MV,et al.Oxidative DNA damage in lung tissue from patients with COPD is clustered in functionally significant sequences[J].Int J Chron Obstruct Pulmon Dis,2011,6:209-217.

19 Durham A,Chou PC,Kirkham P,et al.Epigenetics in asthma and other inflammatory lung diseases[J].Epigenomics,2010,2(4):523-537.

20 Xu PW,Jin YT.Lung cancer and its epigenetics association with chronic obstructive pulmonary disease[J].Zhonghua Yi Xue Yi Chuan Xue Za Zhi,2013,30(1):70-73.

21 Provinciali M,Cardelli M,Marchegiani F.Inflammation,chronic obstructive pulmonary disease and aging[J].Curr Opin Pulm Med,2011,17(Suppl 1):S3-10.

22 Shanmugam MK,Sethi G.Role of epigenetics in inflammation-associated diseases[J].Subcell Biochem,2013，61:627-657.

23 Liu F,Killian JK,Yang M,et al.Epigenomic alterations and gene expression profiles in respiratory epithelia exposed to cigarette smoke condensate[J].Oncogene,2010,29(25):3650-3664.

24 Yang IV,Schwartz DA.Epigenetic control of gene expression in the lung[J].Am J Respir Crit Care Med,2011,183(10):1295-1301.

25 Savale L,Chaouat A,Bastuji-Garin S,et al.Shortened telomeres in circulating leukocytes of patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].Am J Respir Crit Care Med,2009,179(7):566-571.

26 Caramori G,Papi A.Pathogenic link between chronic obstructive pulmonary disease and squamous cell lung cancer[J].Expert Rev Respir Med,2007,1(2):171-175.

27 Vempati RK,Jayani RS,Notani D,et al.P300-Mediated acetylation of histone H3 lysine 56 functions in DNA damage response in mammals[J].J Biol Chem,2010,285(37):28553-28564.

28 Yao H,Rahman I.Role of histone deacetylase 2 in epigenetics and cellular senescence:implications in lung inflammaging and COPD[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2012,303(7):L557-566.

29 Aoshiba K,Zhou F,Tsuji T,et al.DNA damage as a molecular link in the pathogenesis of COPD in smokers[J].Eur Respir J,2012,39(6):1368-1376.

30 Freund A,Orjalo AV,Desprez PY,et al.Inflammatory networks during cellular senescence:causes and consequences[J].Trends Mol Med,2010,16(5):238-246.

31 Tsuji T,Aoshiba K,Nagai A.Alveolar cell senescence exacerbates pulmonary inflammation in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].Respiration,2010,80(1):59-70.

32 Mercado N,Thimmulappa R,Thomas CM,et al.Decreased histone deacetylase 2 impairs Nrf2 activation by oxidative stress[J].Biochem Biophys Res Commun,2011,406(2):292-298.