我们的 DNA 每天暴露在大量的威胁之中，而人体内的多种 DNA 修复机制帮助人体修复由化学物质、代谢产物和紫外线所造成的 DNA 损伤。酒精代谢的中间产物乙醛也是能够造成 DNA 损伤的物质之一，它通过造成 DNA 双链之间的交联（DNA interstrand crosslink , 以下简称为 ICL）破坏我们的基因并诱发癌症。
生物体内具有两种对抗乙醛造成的损害的机制，第一种是通过合成乙醛脱氢酶 2（ALDH2）来快速将乙醛分解无害的分子。可对于拥有数千年饮酒文化的东亚人来说，36% 的人口具有乙醛脱氢酶 2（ALDH2）缺陷，这导致乙醛的堆积并对国人的身正造成极大的伤害。但大自然也给了我们除了 ALDH2 之外对抗乙醛的第二种工具，那就是 DNA 交联修复机制。
2011 年，Nature 报道一种由范可尼贫血症 DNA 修复通路（Fanconi anaemia DNA repair pathway，以下简称为 FA 通路）介导的 ICL 修复机制，为人类揭示一种人体对抗乙醛毒性的全新机制 [1]。
但最近一项新的发现告诉我们，这种 ICL 的修复并没有我们想的这么简单。
2020 年 3 月 4 日，来自剑桥 MRC 实验室的 Ketan J. Patel 和荷兰 Oncode Institute 的 Puck Knipscheer 所领导的团队在 Nature 发表了题为《Alcohol-derived DNA crosslinks are repaired by two distinct mechanisms》的文章，报道了生物体内一种修复乙醛诱导 ICL 的全新机制 [2]，这种方法比 FA 通路更加安全。
主要研究内容
为了研究 ICL，研究人员特意构建了一种新的研究体系。
他们利用乙醛与鸟嘌呤反省形成 N2 -propanoguanine（PdG）再与互补链上的 PdG 形成的 ICL 的原理，在一段核酸双链上特定的碱基位点制造了原始乙醛 ICL(AANAT-ICL)，并将这段序列构建进质粒得到 pICL- AANAT。
除此之外，抗癌药顺铂也能造成 ICL，为了研究顺铂和乙醛导致的 ICL 之间的差异，研究人员也搭建了顺铂诱导的 ICL 体系，pICL-Pt。随后他们将两个质粒引入到常用于研究 ICL 的蛙卵。
FA 通路介导的修复会引入 DNA 的断裂和同源重组，该过程中会形成复制/修复中间体（replication/repair intermediates ，以下简称 RRI）。电泳结果表明 pICL- AANAT 和 pICL-Pt 体系都形成了大量 RRI，并在体内实现了扩增，这意味着研究方法切实可靠。
有趣的是，研究人员也发现 pICL- AANAT 的修复速度比 pICL-Pt 更快。另一种 NotI 酶切实验也验证了 DNA 修复的发生，而且 pICL- AANAT 中 ICL 修复出现的量也远大于 pICL-Pt。
随后，研究人员通过敲除 FA 通路中关键基因 FANCD2 和 p97 以关闭 FA 通路介导的修复。他们发现 pICL-Pt 的 ICL 修复被完全停止，但 pICL- AANAT 的 ICL 修复只被减少一小部分。这意味着与 pICL-Pt 的不同，乙醛诱导 ICL 的修复涉及了除 FA 通路外一种更快、更强的未知机制。
当研究人员将原始 AANAT-ICL 还原得到 AAred-ICL，这种还原过的 ICL 难以水解。研究人员随后发现 AARED-ICL 也能被修复，但这种修复只与 FA 通路有关，这进一步证明了 AANAT-ICL 修复同时使用了已知的 FA 通路。
通过阻断 DNA 复制，研究人员发现这种新的修复机制依旧同 FA 通路一样需要 DNA 复制才能完成，而顺铂修复中的 DNA 复制会形成一种复制叉的汇合（Fork convergence）。进一步研究表明，使用 LacR 抑制复制叉的形成能阻止 AANAT-ICL 的修复。
需要复制叉的交汇与 FA 通路介导的修复是相似的，而通过 FA 通路解开 DNA 交联需要剪开 DNA 链再进行 DNA 复制。研究人员继续探究了这种新机制是否涉及 DNA 的剪切，他们再次通过移除 FA 通路，并通过酶切后的片段大小判断修复过程中是否发生了 DNA 剪切。
随后，他们发现没有 DNA 剪切的 AANAT-ICL 依然能够被修复，这证明了这条新的修复通路不涉及类似于 FA 通路的 DNA 的剪切。
为了进一步探究这种新修复机制的深层原理，研究人员探究了这种机制是否引入了 FA 机制所需要的 DNA 加合物（DNA adducts）并需要跨损伤 DNA 合成（Translesion DNA synthesis, TLS），而这种 TLS 直接在加合物对面插入并合成 DNA 以修复受损位点，且需要 REV1 的参与。
所以研究人员敲除了 REV1，并发现 REV1 的敲除导致了 pICL-Pt 修复的碱基插入在受损点 0 位的堆积，但导致 pAANAT-ICL 和 pAARED-ICL 在受损点的- 1 位的堆积。这意味着 FA 通路和这种新发现通路都需要 TLS，但 TLS 的插入机制不同，后者可以直接通过- 1 位而不是受损的 0 位本身进行修复。
而且与 FA 通路只在任意一侧的 DNA 链引入加合物不同，这种新的机制能够用新的鸟嘌呤在上游链替代受损鸟嘌呤，然后复制延伸，与此同时在下游链形成一个 DNA 加合物。
最后研究人员探究了这种修复的保真度问题。常见的 FA 通路单独修复 pICL-Pt 的突变率低于 2%，最常见的突变是 G>T 突变。而新的修复机制虽然更快，但和 FA 通路混合修复 pILC-AANAT 时综合突变率高达了 10%，而且突变的种类也大不相同。其突变的组合和出现的频率进一步证实了新修复机制在解开交联的同时会在下游链得到一个单碱基 PdG 加合物。
研究意义
尽管这种新的机制会引入更多的突变，但其不会剪切 DNA 的特性不会导致染色体的重组，也因此降低了癌症的发生，为人体抵抗乙醛的机制提供了新的解释。
可遗憾的是，该研究并未发现直接参与修复的蛋白质。研究人员推测可能是某种酶促反应造成了这种修复，找到这个特定的蛋白将会为治疗范可尼贫血症和酒精相关癌症打开新的大门。这种修复机制是否和其他细胞毒性导致的 DNA 损伤有关也值得更多研究。
与此同时，生物体修复 DNA 损伤的机制多种多样，同源重组和非同源性末端接合的修复机制更是包括 CRISPR 在内的基因编辑工具的基石，它们直接参与剪切之后的修复工作。这种新的修复机制是否能加以改进或者与基因编辑技术联用以提高基因编辑的效率也值得一探究竟。
延伸阅读
该论文的通讯作者来自剑桥 MRC 实验室的Ketan J. Patel 是酒精导致 DNA 损伤研究的泰斗，他关于 AA-ICL 的修复研究可以追溯之前提到过的这篇 2011 年题为《Fancd2 Counteracts the Toxic Effects of Naturally Produced Aldehydes in Mice》的 Nature 论文 [1]。
该研究揭示的修复通路就是以范可尼贫血症（Fanconi anaemia）命名，为人类揭开了生物如何对抗酒精代谢物的神秘面纱。
2018 年 Ketan J. Patel 也在 Nature 的发表了一篇重磅论文指出乙醛对干细胞造成损伤并诱发癌症 [3]。该研究在当时造成了不小的影响，也被不少人认为是喝酒有百害而无一例的铁证。随着研究的推进，人类对酒精造成的 DNA 损伤也越来越了解。
我国拥有着漫长的酒文化，但小编一直认为劝酒等行为是我国文化中的陋习。汉族人天生的 ALDH2 缺陷让我们不适合饮酒，而人体对抗乙醛导致的 DNA 损伤也并不是完美的。
就算这些新的研究能帮助我们研发药物来降低酒精带来的损伤，但都不如一开始就不要喝酒。
参考文献：
1. Langevin, F., et al., Fancd2 counteracts the toxic effects of naturally produced aldehydes in mice. Nature, 2011. 475(7354): p. 53 - 58.
2. Hodskinson, M.R., et al., Alcohol-derived DNA crosslinks are repaired by two distinct mechanisms. Nature, 2020.
3. Garaycoechea, J.I., et al., Alcohol and endogenous aldehydes damage chromosomes and mutate stem cells. Nature, 2018. 553(7687): p. 171 - 177.
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