Nat Commun｜应对衰老和AD：HDAC1调控DNA损伤修复

进行性的细胞和生理功能的恶化在衰老的过程中无法逆转，并且会增加对疾病的易感性，进而导致死亡。基因组由于DNA损伤所致的不稳定性是衰老的重要标志，并且与人脑中的基因突变、基因表达变化和认知损害相关。深入了解调控脑中DNA损伤和修复的机制可以为应对衰老和疾病提供干预的可能。

组蛋白脱乙酰基酶（HDACs），是一类可以将组蛋白和非组蛋白赖氨酸残基的乙酰基团移除的酶。HDACs参与很多细胞过程，包括转录、染色质重塑和DNA修复。HDAC1此前已被证实在原代神经元和小鼠脑中参与维持基因组完整性，然而，HDAC1是否还参与其他的DNA修复通路以及其在脑衰老过程中参与了什么过程，这些还未可知。本文主要是通过研究发现HDAC1可以通过调节OGG1参与的8-氧鸟嘌呤 (8-oxoG)的修复，起到改善DNA损伤和认知损害的作用。

“8-氧鸟嘌呤 (8-oxoG):是由活性氧修饰鸟嘌呤引起的最常见的DNA损伤之一，并且可以导致与腺嘌呤的错配配对，从而导致基因组中G到T和C到A的替换。在人类中，它主要由DNA糖基化酶OGG1修复。它可能是由与氧化代谢有关的电离辐射引起的。”———摘自维基百科”

1老年Hdac1敲除小鼠表现出胶质增生、DNA损伤和认知下降

为了解HDAC1在脑中的功能，该团队制备了Hdac1脑特异性敲除的小鼠。3月龄的Hdac1敲除小鼠在神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞分布和数量上与同龄对照小鼠相比无明显差异；然而，13月龄的Hdac1敲除小鼠虽然与同龄对照相比神经元和小胶质细胞数量无明显差异，但星形胶质细胞数量明显增加，提示星形胶质细胞增生。同时，13月龄敲除小鼠表现出明显的DNA损伤（图1）。

图1 Hdac1敲除小鼠表现出认知损害

为了解HDAC1在脑中的功能，该团队制备了Hdac1脑特异性敲除的小鼠。3月龄的Hdac1敲除小鼠在神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞分布和数量上与同龄对照小鼠相比无明显差异；然而，13月龄的Hdac1敲除小鼠虽然与同龄对照相比神经元和小胶质细胞数量无明显差异，但星形胶质细胞数量明显增加，提示星形胶质细胞增生。同时，13月龄敲除小鼠表现出明显的DNA损伤（图1）。

2HDAC1调节OGG1活性

通过RNA测序和富集分析，该团队发现HDAC1的敲除使得对脑功能有重要作用的一些基因的表达受到抑制。为了深入了解敲除小鼠中的基因表达是如何被调控的，该团队通过ChIP检测了敲除小鼠中8-oxoG的积聚，发现年老小鼠中8-oxoG积聚在下调基因的启动子上，提示在年老敲除小鼠中8-oxoG的积聚使这些基因的表达受到抑制。

OGG1是8-oxoG修复主要的DNA糖基化酶。OGG1可以被组蛋白乙酰转移酶（HAT）p300乙酰化也可以被HDAC1去乙酰化。体外实验表明，添加p300使OGG1乙酰化后，OGG1分解活性增加，再加入HDAC1后OGG1的分解活性进一步增加。在体内，老年敲除小鼠中8-oxoG的增加伴随着OGG1的乙酰化的增加和活性的降低（图2）。这些结果提示HDAC1可与OGG1相互作用并在老化脑中对OGG1的活性起积极作用。

图2  HDAC1调节OGG1活性

3-5xFAD小鼠中HDAC1改变8-oxoG水平和基因表达

8-oxoG水平升高在AD患者中已有报道。为了实验验证AD小鼠模型中的氧化损伤和明确HDAC1的作用，该团队将Hdac1敲除小鼠和5xFAD小鼠杂交，发现8-oxoG在敲除小鼠和5xFAD小鼠中水平均有增加，而在杂交小鼠中水平更高（图3），这说明HDAC1的缺失加重了5xFAD小鼠海马神经元中的8-oxoG的损伤。

图3. 8-oxoG在Hdac1、5xFAD和杂交小鼠中均增加

4药理性激活HDAC1可改善老年和5xFAD小鼠的认知水平

以上结果显示HDAC1的缺失会引起OGG1活性降低、8-oxoG损伤加剧以及认知下降，增强HDAC1功能可能可以挽救认知受损。该团队通过体内外实验证实，依昔苯酮（Exifone）是HDAC1的激活剂。为了进一步验证HDAC1对年老和5xFAD小鼠的作用，该团队对17月龄野生型小鼠腹膜注射依昔苯酮4周，发现OGG1活性增加；对8月龄5xFAD小鼠腹膜注射依昔苯酮2周，发现DNA损伤得到改善。此外，经依昔苯酮处理后的5xFAD小鼠在条件恐惧实验中较对照5xFAD小鼠有更好的表现，同时，治疗后的14月龄5xFAD小鼠LTP也有所改善。为了排除腹膜注射对周围组织引起的间接影响，该团队对5xFAD小鼠进行脑室注射，发现经过依昔苯酮脑室注射2周的16月龄5xFAD小鼠较对照5xFAD小鼠水迷宫表现更好，提示依昔苯酮可通过激活HDAC1改善5xFAD小鼠的空间记忆。

5结论

该研究发现了HDAC1是OGG1的去乙酰化酶，并且可以激活OGG1的DNA修复活性。该研究将HDAC1和OGG1与脑老化和神经退行性疾病中的DNA氧化损伤、神经元基因表达、突触可塑性和认知表现连接起来，强调了HDAC1激活在老化和神经系统疾病中的潜在治疗作用。