히스톤 매개 복구 제한에 의한 부성 DNA 손상의 유전
![[EzV] Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/01/EzV-Inheritance-of-paternal-DNA-damage-by-histone-mediated-repair-restriction.png)
Abstract
방사선 생물학에서 전리방사선(ionizing radiation)에 대한 아버지의 노출이 그 자손의 유전자 물려받음과 질병 위험에 어떻게 영향을 미치는지는 오랫동안 풀리지 않는 질문이었습니다. 인간의 경우, 전염된 돌연변이의 거의 80%가 부계 생식선에서 발생하지만, 전리방사선 피폭의 범세대적(transgenerational) 효과는 여전히 논란의 여지가 있으며 그 메커니즘은 알려져 있지 않습니다.
이 논문에서는 성별로 분리된 Caenorhabditis elegans에서 아버지 개체가 전리방사선에 노출되면 세대 간 배아 사망률이 발생한다는 것을 보여주며, 어머니 개체에서는 그렇지 않다는 것을 밝혔습니다. 조사된(irradiated; 방사선을 맞은) 수컷의 자손은 DNA fragmentation, 염색체 재배열 및 신경배열을 포함한 다양한 게놈 불안정성 표현형을 보였습니다. 부성 DNA 이중 가닥 절단은 암컷 개체에서 온 오류 가능성이 높은 중합효소 theta-mediated end joining에 의해 복구되었습니다. 물리적인 관점에서, 저자들은 인간 히스톤 H1.0, HIS-24 또는 heterochromatin 단백질 HPL-1의 orthologue(다른 종에서 발견되는 동질적인 유전자)가 고갈되면 범세대적 배아 치사율을 크게 역전시킬 수 있음을 보여줍니다. HIS-24 또는 HPL-1의 제거는 histone 3 lysine 9 dimethylation을 감소시키고 전리방사선 처리된 P0 수컷으로부터 F1 세대의 생식선에서 오류 없는 상동 재조합 복구를 가능하게 하여, 결과적으로 F2 세대의 생존 가능성을 향상시켰습니다.
이 연구는 선천적 장애와 인간의 암으로 이어질 수 있는 아버지의 방사선 피폭이 자손의 건강에 미치는 유전적 결과의 물리적 기반을 확립합니다.
Figure
![[Fig1] Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/01/Fig1-Inheritance-of-paternal-DNA-damage-by-histone-mediated-repair-restriction.png)
[Figure 1] 부계의 전리방사선 노출은 범세대적 태아 치명률을 높인다
(a) 전리방사선과 transgenerational characterization의 다양한 노출량에 대한 모성 및 부성 피폭의 혈통입니다. (왼쪽) 전리방사선(P0 ∆f)에 대한 모성 피폭은 F1 세대에서 세대 내 배아 치사율을 초래합니다. 성인까지 발달하는 생존 자손이 없는 90 Gy로 처리된 그룹을 제외하고, 조사되지 않은 이성과 교차한 생존 안개-2 F1(∆ff 및 ∆fm)은 배아 치사율을 기저 수준으로 회복했습니다. n은 생물학적 반복실험의 수를 나타냅니다. 각 반복실험에는 안개-2 암컷 3마리와 안개-2 수컷 3마리가 포함됩니다. (오른쪽) 아버지의 전리방사선 피폭(P0 ∆m)은 F1 세대에서 배아 치사율의 경미한 증가를 가져오고, 생존한 F1(∆mf 및 ∆mm)의 자손은 F2 세대에서 세대 간 배아 치사율을 보여줍니다. n은 생물학적 반복실험 횟수를 나타냅니다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간이며 P 값이 표시됩니다. 전체 그림에서 빨간색 막대는 암컷을 나타내고 파란색 막대는 수컷을 나타냅니다. (NA: not applicable)
(b) 아버지 전리방사선 피폭(90 Gy)의 혈통과 3세대 이후의 세대에 대한 transgenerational 치명률을 특징화했습니다. n = 3개의 생물학적 반복실험. 각 반복실험에는 3명의 암컷과 3명의 수컷이 포함됩니다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간이며 P 값이 표시됩니다.
(c) 새로 조사된 P0 성인 수컷과 이온화 방사선 피폭 이틀 후의 수컷은 서로 다른 transgenerational 효과를 보입니다. 안개 2: n = 3 생물학적 복제, spe-8: n = 5 생물학적 복제, 각각의 복제에는 3명의 암컷과 3명의 수컷이 포함된다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간이며 P 값이 표시됩니다. (통계분석: logit link function을 활용한 Generalized Linear Model(GLM) 활용, Proportional data에 대해서는 Tukey’s multiple comparisons, arcsine transformation을 적용한 (a, b) one-way (c) two-way ANOVA 활용)
![[Fig2] Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/01/Fig2-Inheritance-of-paternal-DNA-damage-by-histone-mediated-repair-restriction.png)
[Figure 2] 전리방사선에 대한 수컷의 노출은 F1 세대에서 DNA 단편화, 염색체 재배열 및 비정배수성(aneuploidy)을 초래한다.
(a) (왼쪽) 남성 생식선에 DAPI 염색을 한 사진입니다. (오른쪽) 확대된 성숙한 정자입니다. Scale bar, 20 μm
(b) 태아의 DAPI 염색입니다. (아래) 염색체의 정체 및 연결입니다. Scale bar, 10 μm
(c) 장 DAPI 염색입니다. (아래) 대표적인 두 세포의 확대도입니다. Scale bar, 10 μm
(d) Telomere fluorescence in situ hybridization (FISH) 및 생식선의 DAPI 염색입니다. (아래) fragmented DNA의 확대도입니다. (오른쪽) 후기 diakinesis oocytes입니다. 화살표는 DNA fragmentation을 나타냅니다. a-c에서의 실험은 유사한 관측치로 3번 반복되었고, d에서의 실험은 유사한 관측치로 2번 반복되었습니다. Scale bars, 10 μm
(e) 후기 diakinesis oocytes에서 DAPI 염색체의 정량화 결과입니다. 데이터는 mean ± s.d.을 나타냅니다. n = 25 oocytes
(f) 후기 diakinesis oocytes당 DNA의 단편화(텔로미어 FISH 신호 없는 정도)의 정량화 결과입니다. n은 난모세포의 수를 나타냅니다.
(g) Circos plot을 통해 염색체 전위(염색체 내 또는 염색체 내 융합)를 µf와 µmm 단위로 보여줍니다. 모든 translocation들은 Supplementary Table 3에 나열되어 있습니다.
(h) 분리된 germline에 대한 RNAPll p-Ser2, HIM-8 및 DAPI staining 결과입니다. (오른쪽) 세 개의 대표적인 핵이 있습니다(Scale bar, 20 μm). 이 실험은 비슷한 관측치로 세 번 반복되었습니다. IR은 이온화 방사선에 노출된 것을 나타냅니다. 그림은 각각의 패널에서 조사된 irradiated 수컷의 (a) 정자, (b) F1 배아, (c) F1 체조직 및 (d, h) F1 생식선을 보여줍니다.
![[Fig3] Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/01/Fig3-Inheritance-of-paternal-DNA-damage-by-histone-mediated-repair-restriction.png)
[Figure 3] 아버지로부터 물려받은 DNA 손상은 주로 TMEJ에 의해 복구된다.
(a) 90 Gy 이온화 방사선에 수컷이 피폭된, fog-2 F1 성인의 translocation footprint 분포입니다. Templated inserts는 두 개의 중단점 중 하나 주위의 ±25 bp 이내에서 일치하는 시퀀스를 갖는 융합 부위 사이의 3 bp in 이상의 삽입물입니다. 기타 삽입은 3bp 미만의 삽입물 또는 중단점 주변의 ±25bp 내에서 일치하는 시퀀스가 없는 삽입물입니다. n, 변환 횟수.
(b) (왼쪽) type 1 translocation 위치의 모식도입니다. Sense strand는 파란색이고, antisense strand는 빨간색입니다. 숫자는 nucleotide와 breakpoint 사이의 거리를 나타내며, 노란색 상자는 미세 상동성을 나타내는 위치를 나타냅니다. (오른쪽) 템플릿 삽입이 있는 변환 위치를 제외한 모든 유형 1 변환 지도의 합을 나타내는 열 지도입니다. ∆mf 및 ∆mm (n = 23 translocations)에서 파생됩니다. 어두운 음영은 해당 베이스 사이의 시퀀스 유사성이 높다는 것을 나타냅니다. x축과 y축을 따르는 숫자들은 왼쪽에 있는 숫자들과 일치합니다. P 값은 Supplementary figure 1에 나와 있습니다.
(c) 표시된 균주의 자손 치명률입니다. n은 생물학적 반복실험의 수를 나타냅니다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간입니다. P 값이 표시됩니다.
(d) 90 Gy 이온화 방사선에 피폭된 경우와 피폭되지 않은 경우 polq-1 worm에 대한 다양한 부모 조합의 자손 사망률입니다. n = 생물학적 반복실험 3회. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간입니다. P 값이 표시됩니다. (통계분석: logit link function을 활용한 Generalized Linear Model(GLM) 활용, Proportional data에 대해서는 Tukey’s multiple comparisons, arcsine transformation을 적용한 (a, b) one-way (c) two-way ANOVA 활용: Supplementary Table 1에 상세 정보)
![[Fig4] Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/01/Fig4-Inheritance-of-paternal-DNA-damage-by-histone-mediated-repair-restriction.png)
[Figure 4] Histone H1 또는 HPL-1의 제거는 정자로부터 물려받은 치사율을 완화시킨다.
(a) Gene Ontology 용어 분석으로, 부모가 이온화 방사선에 노출되거나 노출되지 않는 wild-type worm에 대한 SILAC 분석에서 유의하게 조절된 단백질 중 생물학적 과정에 대한 것입니다. 상위 네 개의 biological process들은 진한 회색으로 강조 표시됩니다. Log10FDR이 1.3보다 큰 결과는 FDR < 0.05의 결과와 일치합니다. (FDR: False Discovery Rate)
(b) 부모가 이온화 방사선에 노출되었을 때 염색체 또는 DNA 결합 과정에 관여하는 단백질의 상대적 발현을 나타냅니다. Floating bar는 값의 범위를 나타내고 중심선은 중위수를 나타냅니다. n = 4개의 생물학적 반복 실험입니다.
(c) His-24의 자손 사망률 특징화 결과; 부계 전리방사선 조사 유무에 따른 fog-2 돌연변이의 정도를 나타냅니다. n은 생물학적 반복실험 횟수를 나타냅니다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간입니다. P 값이 표시됩니다.
(d) (왼쪽) 표시된 균주의 생식선에 H3K9me2(녹색) 및 DAPI(파란색) 염색 결과입니다. Scale bar, 20μm. (오른쪽) X 염색체 마커 HIM-8(빨간색)과 함께 염색된 대표적인 핵 3개입니다. Scale bar, 3 μm.
(e) H3K9me2(녹색) 및 DAPI(파란색)의 지목된 RNAi 균주에 대한 생식선 염색으로, 부성 이온화 방사선 피폭의 여부에 따라 나뉘었습니다. Scale bar, 10 μm. (아래) H3K9me2 신호 강도의 정량화 결과입니다. n은 셀 번호를 나타냅니다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간입니다. P 값이 표시됩니다. (통계: one-way ANOVA with Bonferroni’s multiple comparisons test)
(d, e)의 실험들은 비슷한 관찰 횟수를 가지며 각각 3번 반복했습니다. EV, empty vector
(f) fog-2 및 hpl-1의 자손 사망률입니다. fog-2는 부계 이온화 방사선 조사 여부에 따라 나뉩니다. n은 생물학적 반복실험 횟수를 나타냅니다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간입니다. P 값이 표시됩니다.
(c, f)는 logit link function을 활용한 GLM으로 proportional data를 다루었습니다. 또한, arcsine transformation을 거친 two-tailed t-test를 통해 통계 결과를 검증했습니다. (Supplementary Table 1에 상세 정보)
![[Fig5] Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/01/Fig5-Inheritance-of-paternal-DNA-damage-by-histone-mediated-repair-restriction.png)
[Figure 5] Histone H1 또는 HPL-1의 고갈은 HRR을 유발하여 transgenerational 치사율을 완화시킨다
(a) 90 Gy 이온화 방사선에 대한 아버지 피폭 유무에 따른 EV (RNAi); fog-2, his-24 (RNAi); fog-2 and hpl-1 (RNAi); fog-2 worms의 생식선의 RAD-51 면역 형광(빨간색) 및 DAPI 염색(파란색) 결과입니다. (위) 여성 생식선의 pachytene zone, (아래) 남성 생식선의 전이 영역입니다. Scale bar, 10 μm. 유사한 관찰수를 토대로 (a)의 실험을 3번 진행했습니다.
(b) 90 Gy 이온화 방사선에 수컷이 피폭되거나 피폭되지 않은 암컷과 수컷의 생식선에서 세포핵 당 RAD-51의 정량화입니다. 각각의 생식선에 대해 15개 이상의 핵이 집계되었습니다. n은 생식선의 수를 나타냅니다. 각 점은 하나의 생식선에서 핵당 RAD-51 foci의 수의 평균을 보여줍니다. 막대는 중위수 ± 95% 신뢰 구간을 나타냅니다. P 값이 표시됩니다. (통계: nested one-way ANOVA with Bonferroni’s multiple comparisons test를 통해 germline 간의 variation을 보임)
(c) 부성 이온화 방사선 조사(90 Gy) 유무에 따라 빈 벡터, fog-2 및 brc-1; fog-2 돌연변이의 his-24 및 hpl-1 RNAi에 따라 자손 치사율을 특징화했습니다. Control, µm: n = 3; µm, µmm: n = 5 생물학적 반복 실험입니다. 데이터는 중위수 ± 95% 신뢰 구간입니다. P 값이 표시됩니다. (통계: GLM with logit link function and Tukey multiple comparisons; one-way ANOVA with arcsine transformation를 통해 proportional data를 분석했습니다.)
![[Fig6] Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/01/Fig6-Inheritance-of-paternal-DNA-damage-by-histone-mediated-repair-restriction.png)
[Figure 6] 전리방사선에 대한 부계 피폭의 세대전환 효과에 대한 개략적 모델
수컷 엘레간의 전리방사선(IR) 피폭은 성숙한 정자에서 DNA DSB로 이어지며, 이는 분열된 DNA를 수정된 (조사되지 않은) 난모세포로 운반합니다. 모체 난모세포는 부성 DNA 손상을 복구하기 위해 TMEJ machinery를 제공하여 다양한 염색체 이상을 초래합니다. F1 자손의 생식계에서는 linker histone H1 매개 heterochromatin 구조가 생식 세포의 염색질에 축적되어 오류가 없는 HRR에 의해 DNA DSB가 감지되고 복구되는 것을 방지합니다. 특히 여성 F1(∆ mf)에서 X chromosome translocations 및 fragmentations는 MSCI를 방지하여 자손의 배아 치사율을 더욱 악화시킵니다. 결론적으로, 전리방사선에 대한 아버지의 노출은 heterochromatization-restricted DNA 복구 접근을 통해 세대 간 배아 치사율을 초래합니다.
Disscussion
전리방사선에 대한 부모 피폭의 세대 전환 결과의 결정은 주로 이 과정의 기초가 되는 메커니즘이 알려지지 않았기 때문에 확실시하기 어려웠습니다. 동물을 대상으로 한 연구는 전리방사선에 아버지가 노출되면 자손의 생존 능력, 생식 능력, 게놈 안정성이 저하될 수 있다는 증거를 제공했습니다. 이온화 방사선 처리된 성숙 정자로 수정된 소의 난모세포는 초기 배아 발생 동안 염색체 단편화 및 부성 염색체의 전위를 나타내며, 결과적으로 신장되고 불평등한 염색체 분리를 초래합니다. 이러한 유전적 모자이크는 체외수정에서 높은 유산율과 낮은 착상률의 주요 원인이 됩니다. 조사된 수컷 쥐의 생존 가능한 F1 자손은 증가된 유전적 불안정성과 암 발생률을 나타냅니다. 성숙한 정자의 특정 취약성은 임신 기간(즉, 성숙한 정자가 방사선에 노출되었을 때) 즈음에 자손의 악성 질병 위험 증가와 아버지의 방사선 노출 사이의 상관관계와 일치합니다. 지속적으로, 인간의 생식선 과돌연변이는 최근 임신 전 화학요법제에 대한 아버지의 노출과 관련이 있으며, 이는 자손의 유전병 위험을 증가시킬 수 있습니다.
성숙한 정자의 특정적인 취약성은 DSB 수리를 제외한 고도로 압축된 염색질 구조로 설명되며 수정 후 모체 요인에 의한 수리가 필요합니다. 생쥐의 HRR 및 NHEJ 인자의 고갈은 부성 DSB를 운반하는 초기 배아에서 염색체 구조적 이상을 현저하게 증가시킬 수 있습니다. 연구진들은 C. elegans에서 모성 TMEJ가 수정 시 부성 게놈에 작용하는 주요 DSB 복구 메커니즘이라는 것을 발견했습니다. 생리학적 조건에서 생성된 새로운 생식선 구조 변형은 또한 TMEJ 서명을 보여주며 인간에서 특히 아버지가 생성한 DNM5가 풍부합니다. 진화론적 관점에서 볼 때 안정적인 모계 게놈과 달리 불안정한 부계 게놈은 한 종의 유전적 다양성에 크게 기여합니다. TMEJ는 유전체 진화를 형성하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 보이는데, 이는 유전체의 특징이 C. elegans 변이체와 부성 인간 구조 변이체 모두에 존재하기 때문입니다. 따라서 부성 게놈에서 모성 TMEJ의 관여를 지배하는 메커니즘이 유전자 다양화에 기여한다고 추측하는 것은 타당합니다.
조사된 남성의 자손에서 관찰된 게놈 불안정성이 후생유전자의 변화에 의해 주도된다는 우리의 관찰은 부모 방사선 피폭의 해로운 결과를 방지하기 위한 잠재적인 치료 접근법을 개발하는 근거를 제공합니다. 헤테로크로마틴 억제제 또는 H3K9 메틸전달효소 억제제는 잠재적으로 부성 게놈 불안정성을 가진 자손에서 HRR을 촉진하는 것으로 고려될 수 있습니다. 또한, 우리의 연구는 성숙한 정자의 부성 게놈이 특히 취약하여 자손의 게놈 불안정성을 잠재적으로 유발하여 특히 두 달 전 임신 기간 동안 돌연변이 유발 노출로부터 보호해야 할 필요성을 증가시킨다는 것을 추가로 강조합니다. 요약하자면, 이들의 연구는 방사선에 대한 아버지 피폭의 세대 전환 효과의 기초가 되는 이전에 알려지지 않은 메커니즘을 설명하고 인간의 아버지 DNA 손상의 세대 전환 효과에 대한 추가 평가를 요구합니다.