弓头鲸通过增强DNA修复实现长寿与抗癌的新机制——CIRBP蛋白的关键作用

为解决Peto悖论（即体型大、寿命长的物种为何癌症发生率不高）这一难题，研究人员开展了针对弓头鲸（寿命超200年）抗癌机制的研究。通过比较基因组学、细胞转化实验及DNA修复分析，发现弓头鲸细胞虽更易转化，但凭借高效的DNA双链断裂修复（特别是通过高表达冷诱导RNA结合蛋白CIRBP）维持基因组稳定性，揭示了不同于大象p53依赖的新抗癌策略。该研究为理解长寿物种的癌症抵抗机制提供了新视角，发表于《Nature》。

在自然界中，体型巨大且长寿的物种往往面临更高的癌症风险，因为更多的细胞数量和更长的生命周期意味着更多的DNA损伤积累机会。然而，弓头鲸（Balaena mysticetus）却是一个引人注目的例外。这种体重可超过80,000公斤的庞然大物，寿命却能超过200年，是地球上最长寿的哺乳动物之一，而且并不容易患上癌症。这一现象被称为Peto悖论，数十年来一直困扰着科学家们。

为了解开这个谜团，由Vera Gorbunova和Andrei Seluanov领导的研究团队对弓头鲸的细胞机制进行了深入研究。他们发现，与预期相反，弓头鲸的细胞实际上比人类细胞需要更少的致癌"打击"就能发生恶性转化。然而，这些细胞拥有卓越的DNA修复能力，特别是对DNA双链断裂（DSB）的修复，这可能是其抗癌和长寿的关键。

研究人员将目光投向了一种名为CIRBP（冷诱导RNA结合蛋白）的分子。这种蛋白在弓头鲸细胞中异常高表达，能够增强非同源末端连接（NHEJ）和同源重组修复（HR）两种主要的DNA修复途径，减少突变积累，维护基因组完整性。更令人兴奋的是，在果蝇模型中过表达CIRBP不仅能延长寿命，还能提高对辐射的抵抗能力。

这项发表在《Nature》杂志上的研究，不仅揭示了弓头鲸长寿抗癌的新机制，还为人类癌症治疗和抗衰老研究提供了新的思路。通过增强DNA修复来维持基因组稳定性，而不是简单地清除受损细胞，可能是对抗癌症和衰老的一种创新策略。

关键技术方法

研究团队采用了多种前沿技术手段：通过原发性皮肤成纤维细胞培养（包括来自阿拉斯加原住民生存捕猎的弓头鲸样本）进行体外实验；利用软琼脂实验和小鼠异种移植模型评估细胞转化能力；采用单分子突变测序（SMM-seq）和全基因组测序分析突变率；通过荧光报告系统（NHEJ/HR reporters）和CRISPR-Cas9基因编辑技术（靶向PTEN基因座）评估DNA修复效率和保真度；结合蛋白质组学（质谱分析）和转录组学分析蛋白表达；并建立果蝇转基因模型进行体内功能验证。

研究结果

弓头鲸表现出减弱的SASP

研究人员发现，弓头鲸皮肤成纤维细胞与人类细胞类似，会在培养传代中经历复制性衰老，缺乏端粒酶活性，并伴随端粒缩短。然而，转录组分析显示，弓头鲸衰老细胞中衰老相关分泌表型（SASP）因子的诱导程度较低，表明其衰老细胞的炎症反应较弱，这可能有利于长寿。

与大象中观察到的p53活性增强和凋亡增加不同，弓头鲸成纤维细胞显示出较低的基础p53活性，且在基因毒性应激后没有增加凋亡，表明增强的p53信号传导可能不是弓头鲸抗癌能力的主要贡献者。

鲸鱼细胞的致癌转化

通过软琼脂实验和小鼠异种移植实验，研究团队评估了弓头鲸细胞恶性转化所需的最少遗传打击组合。令人惊讶的是，表达hTERT（人端粒酶逆转录酶）的弓头鲸成纤维细胞仅需HRAS^G12V和SV40大T抗原（LT）即可发生转化，而人类细胞还需要SV40小T抗原（ST）。CRISPR敲除实验进一步证实，TP53和RB1的失活，结合HRAS^G12V表达，足以导致弓头鲸细胞的恶性转化。这表明尽管弓头鲸体型更大、寿命更长，但其细胞恶性转化所需的突变打击反而少于人类细胞。

鲸鱼细胞更低的突变率

既然弓头鲸细胞p53活性较低且转化所需突变打击更少，研究人员推测其抗癌能力可能与更低的突变率相关。全基因组测序显示，弓头鲸肿瘤中的新生体细胞单核苷酸变异（SNV）频率显著低于人类和小鼠。此外，弓头鲸肿瘤中的小插入-缺失突变（indel）和大结构变异（SV）数量也减少，尤其是大于500 kb的SV明显减少。使用N-乙基-N-亚硝基脲（ENU）处理的单分子突变测序（SMM-seq）和HPRT诱变实验均证实，弓头鲸细胞的自发和诱导突变率均较低，尤其对SV的积累有显著抵抗。

弓头鲸中增强的DSB修复

为探究弓头鲸突变率降低的机制，研究人员评估了不同DNA修复途径的效率。虽然核苷酸切除修复（NER）活性在鲸与人类之间相当，碱基切除修复（BER）有升高趋势但不显著，但PARP（聚ADP-核糖聚合酶）活性在H₂O₂处理或γ射线照射后显著更高。鲸鱼细胞在H₂O₂处理后存活率更高，修复稍快。错配修复（MMR）在鲸鱼细胞中也比其他物种更高效。

最重要的是，与物种寿命密切相关的DNA双链断裂（DSB）修复途径在弓头鲸中显著增强。鲸鱼成纤维细胞表现出比其它物种显著更高的非同源末端连接（NHEJ）和同源重组修复（HR）频率。较低的内源性γH2AX和53BP1焦点表明其DSB基线负担较低。在博来霉素处理后，鲸鱼细胞能更快地解DSB焦点，并在克隆形成实验中对博来霉素和依托泊苷更具抵抗力。相应地，γ射线照射后微核形成也减少。这些结果表明弓头鲸成纤维细胞具有增强的错配修复和DSB修复能力。

弓头鲸中更精确的NHEJ

由于NHEJ本身是易错的修复途径，研究人员评估了其保真度。对修复连接点的测序分析显示，与人类相比，弓头鲸产生的缺失更少。通过在内源性PTEN基因座引入CRISPR断裂并深度测序比较物种间修复结果，发现人类、牛和小鼠细胞中以缺失为主，而弓头鲸细胞未修饰等位基因的比例最高，表明其修复更准确。此外，弓头鲸成纤维细胞大缺失频率最低，且微同源使用未改变。这些结果提示弓头鲸的NHEJ具有比其他哺乳动物更高的保真度。

CIRBP有助于高效的DSB修复

为探究修复增强的分子基础，研究人员比较了哺乳动物间DNA修复蛋白的表达。出乎意料的是，Ku70、Ku80和DNA-PKcs等在人类中含量更高。相比之下，CIRBP在弓头鲸成纤维细胞和组织中显著高表达，而在其他哺乳动物（除座头鲸外）中几乎检测不到，海豚中有中等水平。

人源和弓头鲸CIRBP蛋白在C末端有5个氨基酸残基不同。将这5个残基引入人CIRBP可增加蛋白丰度。功能实验表明，在人类细胞中过表达弓头鲸CIRBP（bwCIRBP）能增加NHEJ和HR修复事件的频率，降低indel率，而敲低弓头鲸细胞中的CIRBP则会降低修复效率。过表达bwCIRBP还能加速博来霉素处理后γH2AX-53BP1焦点的解离，增加对博来霉素和依托泊苷的抵抗力，并减少基础和诱导的微核及辐射诱导的染色体畸变。

CIRBP基因组保护机制

机制研究表明，CIRBP主要定位于细胞核，存在于可溶性和染色质相关组分中，其染色质结合是RNA依赖性的。CIRBP被招募到DNA DSB位点，可能通过PAR和RNA靶向。体外分析显示，重组CIRBP能浓度依赖性地迁移RNA和DNA底物，并能增强XRCC4-连接酶IV复合物对线性化质粒的末端连接，促进Ku70-Ku80与DNA的结合。此外，CIRBP还能保护DNA末端免受T7核酸酶的降解。

CIRBP降低恶性转化

功能上，在已转化的（表达hTERT、SV40 LT、SV40 ST、HRAS^G12V）人类成纤维细胞中过表达bwCIRBP，能延迟软琼脂中的集落形成，并在小鼠异种移植模型中延迟肿瘤生长，而不影响二维培养中的增殖或存活。这表明CIRBP可能通过减少基因组不稳定性来抑制恶性转化。

CIRBP增强果蝇的恢复能力

为验证CIRBP的体内保护作用，研究人员在果蝇中使用条件性Gal4-GeneSwitch系统过表达人和弓头鲸CIRBP。结果显示，CIRBP过表达能一致地延长寿命，并显著提高电离辐射后的存活率，表明其增强了体内的DNA损伤抵抗能力。

结论与讨论

这项研究通过对长寿物种弓头鲸的深入探索，揭示了其解决Peto悖论的一种独特策略：并非依赖额外的肿瘤抑制基因或增强的凋亡来预防癌变，而是通过增强DNA修复和基因组稳定性来实现长寿与抗癌。特别是高表达的CIRBP蛋白，在促进DSB修复、保护DNA末端和维持染色体稳定性中发挥了关键作用。

该研究的发现具有重要意义。首先，它挑战了"增强DNA修复难以甚至不可能实现"的观念，弓头鲸的实例证明这是一种可行的进化策略。其次，研究提示，基于弓头鲸策略的疗法，即增加如CIRBP等蛋白的活性或丰度，未来或可治疗基因组不稳定性这一可改变疾病风险因素，尤其对于癌症遗传易感性增加的患者或衰老人群。

尽管精确的机制（如CIRBP是否通过液-液相分离形成保护性凝聚体）仍需进一步探索，但这项研究无疑为理解长寿和癌症抵抗机制开辟了新途径，为未来的生物医学研究提供了宝贵的见解和潜在的新靶点。