《DNA Repair》：Fueling for the finish line: control of human telomerase activity by nucleotide metabolism
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端粒長度調(diào)控與dNTP代謝關(guān)系密切，GWAS和CRISPR篩選發(fā)現(xiàn)代謝基因變異影響端粒酶活性，TYMS突變導致短端粒表型，代謝節(jié)點調(diào)控與治療潛力被揭示。
威廉·曼赫茲（William Mannherz）| 蘇尼特·阿加瓦爾（Suneet Agarwal）
波士頓兒童醫(yī)院血液學/腫瘤學與干細胞項目；美國馬薩諸塞州波士頓
摘要
端粒是重復(fù)的DNA序列，它們維持著基因組的完整性。人類端粒的長度通過基因組復(fù)制過程中的端粒侵蝕與端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶介導的端粒延長之間的平衡來保持在一個狹窄的范圍內(nèi)。在人類中，遺傳決定的端粒長度與壽命相關(guān)，而端粒長度維持基因的遺傳缺陷則會導致一系列致命疾病，這些疾病被稱為端粒生物學障礙（TBDs）。最近，dNTP代謝被證實是一個此前未被充分重視的途徑，它對人類端粒酶的調(diào)控和端粒長度的控制至關(guān)重要。全基因組關(guān)聯(lián)研究指出，多個dNTP代謝基因的變異與人類端粒長度有關(guān)。編碼限速胸苷合成酶胸苷酸合成酶的TYMS位點的遺傳變異已被證明會導致先天性角化不良（dyskeratosis congenita，TBD）。全基因組CRISPR/Cas9功能篩選將端粒長度控制與多個關(guān)鍵的dNTP代謝基因聯(lián)系起來。值得注意的是，從這些遺傳數(shù)據(jù)中得出的機制研究表明，人類端粒酶活性對細胞內(nèi)dNTP水平具有顯著的、雙向的敏感性，這種敏感性可以通過多個代謝調(diào)控節(jié)點進行調(diào)節(jié)。本文綜述了支持dNTP代謝與端粒長度控制之間關(guān)系的新興遺傳證據(jù)和機制研究，并提出了一個整合模型，其中dNTP底物的水平?jīng)Q定了端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶的活性，進而影響人類端粒的長度。我們討論了通過調(diào)節(jié)dNTP代謝來治療TBDs及相關(guān)退行性疾病的潛在治療前景和最新試驗。
引言
端粒由染色體末端的重復(fù)序列組成，這些序列有助于維持基因組的穩(wěn)定性[1]、[2]。由于DNA復(fù)制機制無法完全復(fù)制染色體末端，端粒在細胞分裂過程中會縮短[3]、[4]。當端粒長度達到臨界值時，會觸發(fā)細胞衰老，阻止進一步的細胞分裂[5]。因此，端粒長度限制了細胞的復(fù)制能力。這種限制可以通過表達端粒酶來克服，端粒酶是一種全酶復(fù)合體，它利用RNA模板和逆轉(zhuǎn)錄酶從dNTP底物合成新的端粒重復(fù)序列[6]、[7]。端粒酶的活性受到其核心酶成分——逆轉(zhuǎn)錄酶TERT和非編碼RNA模板TERC的可用性的嚴格限制。TERT的表達僅限于干細胞、生殖細胞和其他再生細胞[8]。TERT的表達可以被視為細胞端粒酶活性的開關(guān)。在表達TERT的細胞中，功能性端粒酶的豐度對TERC的水平非常敏感[9]，而TERC本身在轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后加工、dyskerin H/ACA核糖核蛋白組裝以及亞細胞定位到Cajal小體等方面都受到嚴格調(diào)控[10]。端粒重復(fù)序列的合成還受到shelterin和CST1/STN1/TEN1（CST）復(fù)合體的調(diào)控，這些復(fù)合體控制著端粒酶對端粒3’末端的訪問能力[11]、[12]。迄今為止，關(guān)于人類端粒酶調(diào)控的研究主要集中在端粒酶全酶的豐度及其與其底物之一的相互作用上（圖1）。其他底物脫氧核苷三磷酸（dNTPs）通常被認為在端粒合成中是充足的，因為它們在基因組復(fù)制中的使用量大約是其5倍[3]。
端粒長度的維持對人類健康至關(guān)重要，端粒酶功能的紊亂會導致疾病。遺傳決定的端粒長度與普通人群中的常見病理狀況相關(guān)[13]。端粒酶和端粒維持基因的遺傳突變會導致端粒過早縮短，從而引發(fā)一系列嚴重的退行性疾病，統(tǒng)稱為端粒生物學障礙（TBDs）[14]。過去25年中，TBDs的遺傳發(fā)現(xiàn)重新確認并擴展了現(xiàn)有的端粒長度控制模型，識別出多個影響人類端粒酶積累和招募到端粒末端的因素和新機制。出乎意料的是，多項獨立的遺傳和功能研究表明，端粒酶對細胞內(nèi)dNTP水平具有高度敏感性[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。dNTP水平受到從頭合成、從核苷中回收、用于DNA合成和修復(fù)以及分解代謝之間平衡的嚴格控制（圖2）。本文綜述了我們對dNTP代謝如何參與人類端粒長度調(diào)控的最新理解，并提出了一個端粒長度控制模型，在該模型中，dNTP底物的水平?jīng)Q定了端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶的活性，進而影響人類端粒的長度。我們討論了這一模型在臨床和進化方面的意義，重點關(guān)注人類細胞中的端粒長度控制。我們不會涉及酵母中的相關(guān)研究[20]、[21]、[22]、[23]，這些內(nèi)容已在其他地方討論過[20]。
部分摘要
dNTP代謝與端粒長度在群體水平上的遺傳關(guān)聯(lián)
端粒長度是一種遺傳性狀，基于雙胞胎和家族研究估計其遺傳率為40-80%[24]、[25]。雖然1999年首次發(fā)現(xiàn)了導致端粒縮短的端粒生物學基因的罕見致病變異[26]，但端粒長度遺傳性的許多遺傳變異機制尚不清楚。從2010年代開始，全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）發(fā)現(xiàn)了與端粒長度相關(guān)的常見遺傳變異
以底物水平激活端粒酶來解釋dNTP代謝與端粒長度之間的關(guān)系
遺傳數(shù)據(jù)和功能數(shù)據(jù)的結(jié)合表明，dNTP代謝通過影響底物水平的端粒酶活性來影響端粒長度。在這個模型中，增加dGTP、dTTP和dATP水平的遺傳變異或代謝調(diào)控會提高端粒酶活性，從而延長端粒長度；而減少這些底物水平的調(diào)控則會降低端粒酶活性，導致端粒縮短
dNTP底物水平端粒酶調(diào)控模型的臨床意義和治療前景
最近的研究表明，TYMS位點的遺傳突變導致的dNTP合成缺陷是先天性角化不良（DC）的原因[16]。我們的結(jié)果表明，dTTP合成的缺乏會導致dNTP底物減少，從而降低端粒酶活性，解釋了這些患者觀察到的端粒長度縮短現(xiàn)象。這種端粒酶缺陷的機制與其他已知的TBD基因不同，后者影響端粒酶的生物發(fā)生和內(nèi)在酶功能
展望和未解決的問題
最近，通過GWAS、孟德爾遺傳學和功能篩選，dNTP代謝與人類端粒長度之間的關(guān)聯(lián)得到了證實。dNTP代謝對端粒酶活性的底物水平調(diào)控為人類端粒長度控制提供了一個更新的模型（圖1）。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了利用dNTP代謝延長人類細胞（包括TBD患者細胞）端粒長度的小分子和遺傳方法，為這些致命疾病開辟了潛在的新治療途徑。
CRediT作者貢獻聲明
蘇尼特·阿加瓦爾（Suneet Agarwal）：撰寫——審閱與編輯、監(jiān)督、資金獲取、概念構(gòu)思。威廉·曼赫茲（William Mannherz）：撰寫——審閱與編輯、初稿撰寫、可視化、概念構(gòu)思。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能被視為潛在利益沖突的財務(wù)利益/個人關(guān)系：蘇尼特·阿加瓦爾和威廉·曼赫茲擁有與本工作相關(guān)的專利申請，這些申請正在波士頓兒童醫(yī)院處理中。他們沒有其他已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文報告的工作
致謝
我們感謝以下資助來源：美國國立衛(wèi)生研究院的資助：F30DK135340（W.M.）、T32GM007753（W.M.）、T32GM144273（W.M.）、R01DK107716（S.A.）、R33HL154133（S.A.）；波士頓兒童醫(yī)院轉(zhuǎn)化研究項目（S.A.）；哈佛干細胞研究所（S.A.和W.M.）；Team Telomere（S.A.）；百萬美元自行車騎行/賓夕法尼亞醫(yī)學孤兒病中心（S.A.）；慈善捐贈（S.A.）。
