DNA氧化损伤与慢性阻塞性肺疾病关系的研究进展

许时丽，周玉生，李 荣，盘 捷

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是以咳嗽、咳痰和喘息为临床表现，具有气流阻塞特征的慢性支气管炎和/或肺气肿，肺功能检查出现气流受限，即吸入支气管舒张剂后，第一秒用力呼气末容积占用力肺活量的百分比(FEV1/FVC%)<70%，且不能完全可逆[1]。近20年来，COPD的发病率与死亡率呈逐年上升趋势，现已成为全世界主要的慢性疾病，每年约600万人死于COPD，位于死亡原因的第4位，预计到2020年，COPD将成为全球第3大死亡原因[2]。COPD的发病机制复杂且尚未完全阐明，目前较为认可的发病机制有肺部慢性炎症、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组织慢性损伤的重要原因[3]，是当前研究的热点。现就氧化/抗氧化失衡导致的DNA氧化损伤与COPD关系的研究进展作一综述。

1 氧化应激

1.1 氧化应激的分子基础 氧化应激是指机体内高活性分子如活性氧簇(ROS)和活性氮簇(RNS)产生过多或消除减少，从而导致组织损伤，是引起COPD发生发展的重要机制之一。ROS包括超氧阴离子(O2-)、羟自由基(OH-)、单线态氧(1O2)、过氧化氢(H2O2)、脂质过氧化物(RO·、ROO·、ROOH)等；RNS包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、过氧亚硝酸基阴离子(ONOO-)。氧化应激不仅直接损伤肺组织，还可使炎前递质基因表达增加、炎性细胞渗出、抗蛋白酶氧化失活，促进COPD的发生发展。

活性氧物质可激活核因子kappa-B(NF-κB)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)等信号通路，上调炎症基因的表达，引起肺内炎性反应[2,4]。肺内慢性炎性反应和各种炎性因子及前炎性蛋白密切相关，趋化因子如白三烯B4(LTB4)、白介素8(IL-8)可吸引和激活炎性细胞如巨噬细胞、中性粒细胞、T淋巴细胞等，使其变形，游走，释放大量活性物质，导致或加重机体局部炎性反应。前炎性递质如肿瘤坏死因子α(TNF-α)可引起中性粒细胞脱颗粒伴蛋白酶释放，引起溶酶体破坏并释放溶酶体酶，造成肺泡细胞损伤，且诱导各种炎性因子的产生，介导炎性反应。此外，炎性反应产生大量活性氧，加重肺的氧化损伤[5-6]。

文献来源：

所引文献均来源于外文数据库PubMed，检索关键词为“COPD”“oxidative stress”“DNA damage”“DNA repair”,优先选用近5年发表的文献，把检索到的文献归结起来，通过阅读文题、摘要排除重复和不符合要求的文献。

中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)、组织蛋白酶和巨噬细胞基质金属蛋白酶(MMP)是COPD发病过程中重要的蛋白酶。活性氧物质活化炎性细胞，促进细胞弹性蛋白酶和MMP等的释放，抑制抗蛋白酶(如α1-抗胰蛋白酶)的活性。此外，各种类型蛋白酶之间可以相互影响，降低彼此抗蛋白酶活性，从而导致蛋白酶/抗蛋白酶失衡，过量的蛋白酶可以降解细胞外基质和活化细胞因子，引起肺泡融合、气道炎症、杯状细胞化生和气道重塑等加剧肺损害的反应[7]。

在正常状态下，机体产生少量ROS参与新陈代谢，同时体内存在清除自由基、抑制自由基反应体系，保持自由基的清除和产生平衡。当呼吸道暴露于各种香烟烟雾、粉尘、细菌、病毒等有害环境时，导致抗氧化系统平衡打破，氧化剂过多，抗氧化剂减少或抗氧化能力减弱，造成肺部组织的损伤[8]。香烟烟雾中有成千上万种化学物质通过不同途径刺激肺内炎性反应，募集、活化肺部炎性细胞和免疫细胞，进一步加重氧化/抗氧化失衡。

1.2 氧化应激与DNA损伤 自由基对生物体的损伤主要通过脂质过氧化、蛋白质损伤、DNA损伤和改变信号转导通路等途径实现。COPD患者肺的氧化应激表现在肺部脂质膜过氧化，线粒体功能障碍，抗蛋白酶和表面活性剂的氧化失活，黏液分泌过多，肺泡上皮细胞损伤，细胞外基质重建，细胞凋亡和DNA损伤[9-10]。DNA是氧化应激最常见的靶分子，DNA损伤包括链内碱基-碱基和碱基-糖交联物损伤、DNA链断裂[11]。自由基破坏脱氧核糖和染色体，导致磷酸二酯键断裂、碱基破坏与脱落、DNA链断裂、染色体畸变或断裂。DNA的氧化损伤对其复制和转录有阻断作用，影响蛋白质的合成，引起细胞功能丧失或凋亡，组织变性，可能在急性期COPD的发生发展中起一定作用[12]。

2 DNA氧化损伤

2.1 DNA敏感序列及氧化产物 基因组序列对氧化剂攻击有不同敏感性，修复时有优先顺序，这决定了氧化损伤的分布。非编码的DNA序列包括微卫星序列(MS)、端粒、启动子和甲基化的位点，其碱基组成特别容易受到氧化损伤，尤其是鸟嘌呤最容易发生氧化修饰，8-羟基-鸟嘌呤(8-OH-Gua)、2′-脱氧核苷、8-羟基-2′-脱氧鸟苷(8-OH-dG)是鸟嘌呤最常见的氧化产物。8-OH-dG在DNA损伤修复过程中被核酸外切酶排出细胞外，是氧化剂诱导DNA损伤的标志。COPD患者外周血细胞和肺上皮细胞8-OH-dG明显升高时，提示肺组织存在DNA氧化损伤[13-14]。

2.2 吸烟与DNA损伤 香烟烟雾可以直接损伤DNA，也可以通过产生ROS对DNA造成损伤。研究表明，香烟烟雾依赖ROS导致肺泡成纤维细胞核酸氧化，是肺气肿的发病机制之一[15]。吸烟者与非吸烟者相比，肺外周组织中8-OH-dG表达显著增加，这意味着吸烟可引起DNA损伤/修复失衡[14]。在香烟烟雾所致肺气肿小鼠模型中，细支气管上皮细胞和肺泡上皮细胞(特别是Ⅱ型肺泡上皮细胞)8-OH-dG明显增多[16]。

2.3 DNA氧化损伤分布 阻抑蛋白1(PHB1)和阻抑蛋白2(PHB2)是线粒体内膜蛋白，与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)脱氢酶蛋白复合物相互作用，形成的产物对细胞内氧化还原酶活性起决定性作用。吸烟可促进活性氧的产生，损伤线粒体呼吸机制，影响机体的抗氧化能力。研究发现，从非吸烟者至非COPD吸烟者至COPD患者，PHB1及其mRNA水平呈线性减少，反映了线粒体呼吸功能下降，引起抗氧化能力降低[17]。

COPD患者肺部DNA氧化损伤是血管内皮生长因子(VEGF)启动子的主要缺氧反应元件(HRE)，引起细胞转录反常、细胞变性[18]。

2.4 DNA甲基化与COPD 表观遗传是指受烟雾和交通尾气等环境因素的影响造成的可遗传的非编码DNA改变。表观遗传能引起全基因组DNA甲基化改变和特异基因的DNA甲基化改变[19]。全基因组DNA低甲基化和启动子区域的DNA过甲基化，是COPD重要的参与机制[20]。在COPD的发展过程中，发现DNA甲基化调节促炎基因的表达，提高炎性因子水平[21-22]。COPD的DNA甲基化状态类似于癌症组织中观察到的变化，伴随着特定启动子的甲基化[23-24]。

2.5 DNA端粒缩短与COPD DNA端粒缩短是细胞衰老的特征，端粒长度和COPD之间的关系尚不清楚。有研究已发现，COPD患者的循环白细胞端粒长度比健康对照组更短，可能是由于系统性氧化应激增加[25]。

3 DNA修复

3.1 DNA修复方式及效率 DNA修复方式包括直接修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复、双链断裂修复和交联修复。损伤的核酸需多个修复机制共同作用完成，如碱基切除途径组件8-OH-Gua-DNA糖苷酶1(OGG1)、核酸内切酶III的同系物1(NTH1)、单链选择性单功能尿嘧啶-DNA糖基化酶1(SMUG1)、核酸结合蛋白和Y-box结合蛋白1(YB1)。COPD患者的DNA修复效率普遍较低，可能是支气管上皮和结缔组织DNA修复机制受到遗传基因多态性的影响[26]。

3.2 组蛋白在DNA修复中的作用 研究显示，组蛋白H3的赖氨酸56(H3-K56)乙酰化在DNA损伤和修复过程中起关键作用，在哺乳动物细胞中，组蛋白去乙酰化酶(HDAC)则对H3-K56去乙酰化起重要的作用[27]。COPD患者HDAC和SIRT1(依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的组蛋白脱乙酰酶)的表达减少，对DNA保护和修复能力降低。

4 DNA损伤可能是COPD的重要发病机制

细胞受到刺激后引起DNA损伤，随即作出DNA损伤反应(DDR)，即DNA损伤检测、DNA损伤信号和DNA损伤修复反应。有研究显示，由于衰老相关分泌表型(SASP)的显著改变，继而破坏细胞的正常组织结构和功能而造成的DNA氧化性损伤可诱导DDR，DDR又能促进肺的慢性炎症过程[28-30]。当肺泡上皮细胞达到衰老阶段，受损的肺泡再生，出现严重的肺泡炎，从而促进COPD的发病过程[31]。

COPD患者细胞存在氧化应激反应，证实了HDAC活性降低与抗氧化剂转录因子核呼吸因子2(NRF-2)的乙酰化增加有关。氧化应激降低NRF-2活性，并上调抗氧化酶的表达[32]。此外，NRF-2介导的抗氧化防御系统损伤，伴随ROS引起表观遗传变化(组蛋白修饰)和线粒体功能障碍，似乎延长了氧化应激的过程。

5 总结

总之，DNA氧化损伤是COPD发病的分子基础，COPD患者 8-OH-dG表达的增加和线粒体抗氧化能力的降低是DNA修复机制低效的结果。此外，SASP很大程度上是基因组损伤的一个响应，既可以传递组织内的损伤信号又可以传递组织间的损伤信号，考虑到COPD是与年龄相关的退行性疾病，因此这些损伤信号可能导致COPD。个体间DNA修复效率不同，是个体COPD易感性不同的一个潜在决定因素。

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.