由代谢应激、氧化损伤和受损的基因组维持产生的DNA损伤，成为跨多个器官慢性炎症和纤维化疾病的常见驱动因素。虽然快速有效的DNA损伤修复对于应对急性损伤至关重要，但这些通路的持续激活会促进细胞衰老、无菌性炎症和成纤维细胞活化，最终驱动纤维生成和病理性组织重塑。近年来，DNA修复过程，特别是细胞核和线粒体中的碱基切除修复（BER），作为炎症和纤维化结果的调节因子受到越来越多的关注。在此，研究人员综述了未解决的核和线粒体DNA损伤转化为皮肤、肝脏、肺和心血管组织慢性炎症和纤维化的分子机制。研究人员讨论了染色质环境、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）可用性、修复中间体和线粒体基因组不稳定性在塑造DNA损伤反应中的作用，并重点介绍了促进DNA修复的新兴化学生物学策略，包括DNA糖基化酶的有机催化开关、DNA聚合酶γ（POLG）激活剂或靶向炎性体或cGAS–STING通路的小分子。基于来自动物模型和器官型人体体外培养物的现有证据，研究人员提出，促进DNA修复可能代表一种有前景的慢性炎症和纤维化疾病的治疗策略。这一观点将基因组维持通路定位为慢性炎症和纤维化疾病的上游干预点。
1. 引言
纤维化是包括肝脏、肺、皮肤和心脏在内的多器官慢性炎症性疾病的共同特征，并且是全球发病率和死亡率的主要原因。尽管病因多样，纤维化疾病具有各种共同特征，包括持续性炎症、细胞衰老、成纤维细胞激活以及取代功能性实质的细胞外基质（ECM）的过度堆积。当前的抗纤维化疗法主要靶向下游的炎症或促纤维化信号通路，在逆转疾病方面效果有限。越来越多的证据表明，持续的DNA损伤驱动慢性炎症和纤维化。代谢应激和线粒体功能障碍导致活性氧（ROS）水平升高，产生氧化性DNA损伤病变，特别是8-氧-7,8-二氢鸟嘌呤（8-oxoG）。当DNA病变负荷超过修复通路的容量时，DNA损伤反应（DDR）信号被激活，从而促进细胞衰老、刺激促炎信号并激活成纤维细胞，共同塑造促纤维化微环境。本综述总结了DNA损伤修复在包括皮肤、肝脏、肺和心血管系统在内的器官系统中的作用，重点关注代谢性疾病和衰老。综述介绍了核和线粒体修复通路及其与先天免疫感知的整合，并重点介绍了为修复提供方向性的新兴药理学方法。最后，讨论了促进DNA损伤修复如何成为一种可操作的策略来对抗慢性炎症和纤维化。
2. 氧化DNA损伤促进因子的分子机制
2.1. 基因组DNA损伤修复
氧化应激是DNA损伤的普遍来源，而在氧化损伤中，8-氧-7,8-二氢鸟嘌呤（8-oxoG）最为常见。近年来的研究表明，8-oxoG的清除和下游修复的协调决定了细胞是解决损伤、激活炎症信号、发生衰老还是进入纤维化重塑。虽然8-氧鸟嘌呤DNA糖基化酶1（OGG1）作为负责清除8-oxoG的主要酶，但更广泛的DNA糖基化酶和核调节因子决定了DNA修复的结果，影响炎症和纤维化风险。人类11种DNA糖基化酶中的一种启动碱基切除修复（BER），这是主要清除氧化损伤的核碱基的DNA修复通路。虽然进化通常不倾向于核心修复反应中的冗余，但许多DNA糖基化酶表现出重叠的底物特异性。这支持了一个模型，其中单个酶在不同细胞区室、不同细胞甚至生命周期阶段发挥不同作用。此外，一些酶通过建立修复的第二道防线来相互支持，特别是在病变清除受到挑战或延迟时。例如，MutY DNA糖基化酶（MUTYH）在复制过程中清除与8-oxoG错配的腺嘌呤，从而控制致突变的G → T颠换。在OGG1失效或被抑制的条件下，MUTYH活性可能在互补链上产生无碱基（AP）位点，可能导致链断裂、复制应激和持续的DNA损伤信号。内切核酸酶VIII样蛋白1、2和3（NEIL1-3）以及内切核酸酶III样蛋白（NTHL1）可识别更广泛的氧化碱基，包括氧化嘧啶、开环嘌呤、乙内酰脲等。其他单功能糖基化酶，例如单链选择性单功能尿嘧啶DNA糖基化酶（SMUG1）和尿嘧啶DNA糖基化酶（UNG）以及烷基腺嘌呤DNA糖基化酶（AAG），进一步促进了核碱基修复。重要的是，修复结果不仅由DNA糖基化酶的存在、丰度和化学计量决定。此外，核环境、染色质状态、支架募集和信号传导决定修复效率、炎症输出和纤维化风险。其中，染色质修饰因子，如组蛋白去乙酰化酶1和3（HDAC1和HDAC3），调节染色质的可及性。证据表明，紧密的、低乙酰化的染色质减少了DNA糖基化酶和下游BER酶的接近，减缓修复并增加病变的持续性。此外，去乙酰化酶调节DNA修复的多个层面。修复酶（如糖基化酶和无嘌呤/无嘧啶内切核酸酶1）的去乙酰化上调或下调酶功能。X射线修复交叉互补蛋白1（XRCC1）作为修复支架和多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1（PARP1）作为DNA链断裂的传感器，构成促进氧化DNA损伤修复的另一个重要复合体。双重功能激酶，如共济失调-毛细血管扩张突变（ATM）、共济失调毛细血管扩张和Rad3相关蛋白（ATR）以及DNA依赖性蛋白激酶（DNA-PK），在细胞周期检查点和非同源末端连接中起关键作用，并将未解决的DNA损伤或修复中间体转化为细胞周期停滞、衰老或促纤维化基因程序。除了氧化碱基损伤外，其他形式的DNA损伤也与慢性炎症和纤维化相关。庞大的DNA加合物和紫外线光产物需要核苷酸切除修复（NER），此类损伤的持续存在会维持ATR依赖性检查点信号和炎症基因表达。复制应激和转录-复制冲突同样会导致复制叉停滞、单链DNA积累并崩溃为DNA双链断裂。端粒相关损伤在慢性退行性疾病中尤为重要，因为端粒损伤修复效率低下，即使在没有广泛的基因组不稳定的情况下，也会触发持续的DDR信号传导、细胞衰老和纤维化重塑。最近的研-究确定了DREAM复合体是跨多个修复通路的体细胞DNA修复能力的保守转录抑制因子，支持了纤维化表型可能不仅源于个体修复缺陷，也源于基因组维持程序的系统水平限制的观点。
2.2. 线粒体DNA损伤修复
线粒体拥有自己的基因组，即线粒体DNA（mtDNA）。与核DNA相比，mtDNA更易受损，特别是氧化损伤。由于电子传递链的高活性氧暴露、mtDNA接近ROS来源、开放的染色质构象和持续复制，mtDNA特别容易受到8-oxoG等氧化损伤。这种结构脆弱性使得线粒体基因组维持处于一个关键节点，需要高效的修复机制来维持细胞稳态。当修复能力受损时，mtDNA损伤会累积并激活促纤维化组织重塑的炎症通路。线粒体碱基切除修复（mtBER）是负责清除mtDNA中氧化损伤的主要通路。实验研究表明，几种核DNA糖基化酶也靶向线粒体，在那里启动病变识别和切除。特别是OGG1的线粒体亚型，以及NEIL1和NEIL2等糖基化酶，已被证明可以识别和清除mtDNA中的8-oxoG等氧化碱基。AP位点的后续处理主要由APE1介导，它切割DNA主链以产生单链断裂，作为修复合成的底物。mtBER过程中的DNA合成由线粒体DNA聚合酶POLG执行，这是负责mtDNA复制和修复的唯一聚合酶，而修复链的连接通常由DNA连接酶III（LIG3）介导。由于线粒体DNA的维持主要依赖于单一的聚合酶和连接酶，mtBER的冗余性远低于核DNA修复通路。因此，任何瓶颈，例如糖基化酶或APE1活性不足、POLG被抑制、连接酶受损或mtDNA包装缺陷，都会迅速导致mtDNA损伤积累、碎片化或拷贝丢失。一个额外的调节层是对修复酶的翻译后控制。例如，OGG1的线粒体亚型被线粒体去乙酰化酶SIRT3去乙酰化和稳定。因此，线粒体DNA修复效率不仅由修复酶决定，还由线粒体质量控制、代谢状态和翻译后修饰决定，这些都是具有治疗相关性的可修饰因素。
2.3. mtDNA释放和炎症小体激活
当线粒体修复失败时，mtDNA片段或整个线粒体基因组可能被释放到细胞质中。环状GMP-AMP合成酶（cGAS）是一种胞质双链DNA传感器，通常在健康细胞中保持非活性状态。氧化的mtDNA片段，特别是那些含有完整双链区的片段，可作为高亲和力的cGAS配体。激活后，cGAS产生第二信使环状GMP-AMP（cGAMP），进而激活内质网中的接头蛋白STING。下游，TBK1和IRF3驱动I型干扰素产生，而NF-κB触发炎症基因、趋化因子和组织重塑程序的转录。cGAS-STING激活现已涉及不同器官的纤维化。另外，氧化的mtDNA可直接结合并激活NLR家族Pyrin域蛋白3（NLRP3）。激活会触发含CARD的凋亡相关斑点样蛋白募集、caspase-1切割以及IL-1β和IL-18的释放，这些细胞因子与成纤维细胞激活、肌成纤维细胞转化、ECM积聚和胶原沉积密切相关。在组织损伤模型中，抑制NLRP3即使在未改变上游损伤的情况下也能减少纤维化，表明NLRP3在线粒体DNA泄漏下游充当纤维化信号放大器。
3. 促进DNA损伤修复治疗皮炎和皮肤纤维化
皮肤持续暴露于基因毒性应激，特别是紫外线辐射、环境污染物和氧化应激。因此，表皮和真皮细胞积累了一系列DNA损伤，包括环丁烷嘧啶二聚体（CPD）和8-oxoG等氧化性碱基损伤。在持续的DNA损伤信号传导中，炎症性皮炎和纤维性皮肤病共享一个共同的上游特征。紫外线诱导的损伤激活ATR/ATM信号、PARP1和p53，导致角质形成细胞细胞周期停滞、凋亡或衰老。衰老的角质形成细胞和成纤维细胞分泌细胞因子、生长因子和基质修饰酶，重塑真皮ECM。皮肤提供了最清晰和最成熟的证据，表明促进DNA修复具有治疗益处。脂质体包裹的光裂合酶的直接递送可加速紫外线照射后的损伤清除，已在临床前和临床研究中证明可减少紫外线诱导的DNA损伤，抑制炎症反应并减缓光老化特征。除了紫外线光损伤，氧化性DNA损伤在慢性炎症或老化的皮肤中也很丰富。端粒特别容易受到氧化应激的影响，端粒DNA损伤修复的效率低于染色体的其他部分。端粒相关损伤的积累驱动角质形成细胞和成纤维细胞的复制性衰老，有助于表皮变薄、再生受损和真皮纤维化。
4. 促进DNA损伤修复治疗肝炎和肝纤维化
肝脏持续暴露于内源性代谢活动和外源性损伤引起的基因毒性应激。常见的应激源包括代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）中的脂毒性、酒精代谢、各种外源性物质和嗜肝病毒，所有这些都会导致ROS形成增加。肝脏中的衰老也与多倍体肝细胞的形成有关，氧化应激直接促进代谢性肝病中的多倍体化。DNA糖基化酶是肝脏代谢和损伤反应的重要调节因子。小鼠缺乏Neil1、Smug1或Ogg1表现出高血糖、高胰岛素血症、肝脏线粒体功能受损和肝脂肪变性。这些结果表明DNA糖基化酶在肝脏稳态中发挥重要作用。与DNA糖基化酶相反，PARP似乎是促炎和促纤维化的。线粒体功能障碍是慢性肝病的核心特征，调节线粒体代谢是新兴抗纤维化疗法的关键靶点。肝脏中cGAS-STING信号传导的激活可触发肝星状细胞（HSC）的激活并促进促炎症环境，并且在代谢性肝病患者中STING表达上调。相比之下，炎症小体激活与肝脏炎症信号传导和纤维化有稳定关联。综合来看，现有数据表明，加速DNA糖基化酶活性在模型系统中对肝脏代谢、炎症和纤维化具有有益作用。相比之下，关于PARP和cGAS-STING信号作用的证据则不太一致。
5. 促进DNA损伤修复治疗肺纤维化
肺持续暴露于内源性和外源性基因毒性应激，包括呼吸过程中产生的ROS、空气污染物、香烟烟雾、感染和机械应变。因此，上皮细胞、内皮细胞和常驻免疫细胞在整个生命周期中会积累DNA损伤。当这种损伤持续存在、修复不良或反复引入时，就会导致慢性炎症、上皮功能障碍以及成纤维细胞和肌成纤维细胞的进行性激活，从而导致肺纤维化。氧化应激是肺DNA损伤的主要来源，使得BER成为肺稳态的关键通路。OGG1介导的8-oxoG修复影响肺部的炎症基因表达、免疫细胞募集和组织重塑。在急性损伤模型中，使用TH5487药理学抑制OGG1可减少促炎基因转录，减弱成纤维细胞活化，并减少博来霉素处理小鼠的胶原沉积。然而，后续的机制研究表明，OGG1抑制在病变水平上停滞了修复，延长了氧化碱基和修复中间体的存在时间。肺纤维化本质上是一种慢性疾病。反复的上皮损伤、持续的氧化应激、线粒体功能障碍和肺泡再生受损造成了DNA损伤持续积累的条件。端粒生物学提供的证据进一步支持了这一观点。一种新兴的替代策略是增强或重连DNA修复，使肺上皮细胞能够有效清除病变，并在衰老和成纤维细胞激活发生之前快速终止DDR信号传导。
6. 促进DNA损伤修复治疗心血管健康
心血管组织在整个生命周期中持续暴露于连续的机械应激、代谢通量和氧化损伤。血管平滑肌细胞、内皮细胞和心肌细胞由于ROS、复制应激和炎症而积累DNA损伤。与快速更新的组织不同，心血管细胞的再生能力有限。因此，未能充分修复DNA损伤会产生持久的后果，促进细胞衰老、克隆功能障碍、炎症和纤维化重塑，共同推动心血管疾病的进展。氧化应激是血管DNA损伤的主要来源，特别是在暴露于扰流或代谢功能障碍的区域。8-oxoG在衰老和疾病过程中在血管平滑肌细胞和内皮细胞中积累，激活BER和下游的DNA损伤反应信号传导。因此，持续的BER活性维持了DDR信号传导，加强了衰老和SASP输出。心血管组织是持续活跃的，很少经历离散的、自限性损伤。由于DNA损伤是慢性积累的，抑制修复有可能加速病变持续存在、衰老和功能下降。在心血管组织中，促进而非抑制DNA损伤修复是更可取的 治疗策略。线粒体功能障碍进一步放大了心血管疾病的进展。受损的线粒体释放氧化的mtDNA，激活血管细胞和巨噬细胞中的cGAS-STING和NLRP3信号通路。这些通路驱动炎症、内皮功能障碍以及血管壁和心肌的纤维化重塑。
7. 新兴进展
如上所述，纤维化的驱动因素与其说是DNA损伤本身的严重程度，不如说是损伤负荷与修复能力之间的长期失衡。当DNA损伤在细胞核或线粒体中持续存在时，炎症信号得以维持，细胞衰老得到促进，克隆功能障碍加剧，共同导致纤维化组织重塑的开始。因此，新兴的治疗策略越来越侧重于促进DNA损伤修复，而不是单纯抑制下游的炎症或纤维化通路。核DNA修复通路，特别是BER，代表了第一层治疗机会。以阵发性或急性氧化损伤为特征的疾病，如急性肺损伤或短暂性毒性暴露，可能受益于特定糖基化酶活性的暂时抑制。相比之下，慢性纤维化疾病，包括MASH、特发性肺纤维化和动脉粥样硬化，其定义是持续的氧化应激和DNA损伤的不断积累。在这些情况下，促进DNA修复而非抑制变得至关重要。正在开发中的策略包括通过递送表达酶、激活剂或有机催化开关来增强糖基化酶活性。与此同时，越来越多的注意力集中在作为慢性炎症和纤维化驱动因子的线粒体基因组上。因此，增强线粒体DNA修复能力已成为一种有前景的治疗策略。提高线粒体OGG1活性可加速8-oxoG损伤的清除，稳定mtDNA含量并支持氧化磷酸化。类似地，POLG作为唯一的线粒体DNA聚合酶，是复制和修复的关键瓶颈。其他方法旨在直接防止mtDNA释放或感知。来自不同器官的证据强化了这些原则的普遍性。总之，这些发现支持了从靶向抑制向协调增强核和线粒体DNA修复的概念转变。结合改善核BER与稳定线粒体基因组的双轴方法，有可能最大化基因组完整性，抑制核和线粒体来源的DAMP，并限制从慢性损伤向炎症、衰老和纤维化的转变。
8. 结论
持续的DNA损伤已成为连接代谢应激、衰老、慢性炎症、细胞衰老和跨器官系统ECM重塑的核心上游机制。在这一范式中，纤维化可被视为在持续损伤的组织中未能有效解决DNA损伤的功能失调的核和线粒体DNA修复过程的结果。这一观点将治疗开发从简单地抑制炎症转向恢复基因组维持作为一种疾病缓解干预措施。关键的是，与人类相关的实验系统的最新进展加速了这一概念的转化可行性。从行业角度来看，DNA损伤修复通路代表了针对具有高首创潜力的慢性炎症和纤维化疾病开发新型疗法的广阔未开发空间。特别是，DNA糖基化酶提供了明确的催化活性和可药物化的界面，可以选择性地调节而非全局抑制。促进修复的化学生物学策略，如有机催化开关或线粒体靶向的DNA损伤修复促进剂，能够抑制DAMP，从而在免疫激活、细胞因子释放和成纤维细胞转分化上游发挥作用。基于现有证据和发展轨迹，研究人员预见，促进DNA损伤修复在不久的将来有望成为跨器官系统治疗慢性炎症和纤维化疾病的一种有吸引力且临床适用的策略。
