垃圾 DNA,可能是治療神經疾病的神隊友?

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神經系統疾病包含了廣為人知的阿茲海默症、帕金森氏症、癲癇、還有其他如俗稱「漸凍症」的運動神經元疾病(Motor Neuron Disease,簡稱 MND)和罕見疾病亨丁頓舞蹈症 ( Huntington’s chorea )等,受神經系統疾病所苦的人數於全球約有高達 10 億患者,幾乎佔世界人口的六分之一。如何更有效治療神經疾病,一直是科學界亟欲突破的困境。

基因組的氧化損傷(oxidative stress)是細胞代謝的結果,多受環境、飲食與生活方式的影響,並且會加速衰老過程。因此面對氧化損傷,細胞是採取消極的暫時忍受或積極的發展出修復方法,仍是個科學謎團。過去科學家認為在 30 億鹼基對的 DNA 序列中,有高達 98% 是不包含製造蛋白質指令的非編碼DNA(non-coding DNA),又稱垃圾 DNA ( Junk DNA ) ,但近來有許多研究發現垃圾基因或多或少具有調控鄰近基因的作用。

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解鎖垃圾 DNA 的神祕之處,同時也改變了對它的誤解

最近一份由英國雪菲爾大學 ( The University of Sheffield ) 神經科學和健康壽命研究所 ( Healthy Lifespan Institute ) 發表在《自然》雜誌上的研究發現,垃圾 DNA 比以前認為的更容易受到氧化基因組損傷的破壞,透過了解其氧化斷裂是如何形成與修復,讓科學家對神經系統疾病的瞭解又往前邁進一步。

本次的研究中,不僅確定了氧化斷裂如何形成和修復的途徑,也發現修復垃圾 DNA 中的這些斷裂,對於讓身體產生保護蛋白質相當重要,可以避免人類免受疾病侵害。到目前為止,人們認為是垃圾 DNA 的修復大多被忽視了,但研究顯示藉由核有絲分裂蛋白設備 ( nuclear mitotic apparatus protein ) – NuMA 的介導過程,來保護啟動子避免氧化損傷。 NuMA 在轉錄起始位點周圍表現出約 100 bp 的基因組佔有率,並結合 RNA 聚合酶 II  的起始形式、暫停釋放因子和單鏈斷裂修復 ( single-strand break repair, SSBR ) 成分,如 TDP1。消耗 NuMA 會增加啟動子的氧化損傷,因此 NuMA 通過限制 RNA 聚合酶 II 的多 ADP 核糖基化來促進轉錄,從而增加其可用性和釋放啟動子上暫停。這些發現強調了基因調控元件上 DNA 氧化損傷修復的重要性,並描述了實現這一功能的過程。

新研究不僅改善神經系統疾病進程,亦可應用於癌症治療

這項研究也可應用在癌症治療上,透過抑制 NuMA 的活性可能有助於降低非分裂的休眠癌細胞存活率。

雪菲爾大學分子醫學系主任、健康壽命研究所聯合創始人兼副主任 Sherif El-Khamisy 教授表示:「修復隱形非編碼基因組中的 DNA 斷裂的意義將開啟一個全新的研究領域,它可以幫助我們延遲或治療神經系統疾病,如失智症。」新研究不僅對神經系統疾病的發展具有重要意義,可為神經系統疾病早期檢測和早期治療開闢新的療法,同時也為識別新藥以預防多種疾病的發展,和增強老年人的復原力展開了新的篇章。

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參考資料:

  1. https://www.sheffield.ac.uk/neuroscience-institute/news/breaks-junk-dna-give-scientists-new-insight-neurological-disorders 
  2. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05217-8 

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