我們的 DNA 每天暴露在大量的威脅之中，而人體內的多種 DNA 修復機制幫助人體修復由化學物質、代謝產物和紫外線所造成的 DNA 損傷。酒精代謝的中間產物乙醛也是能夠造成 DNA 損傷的物質之一，它通過造成 DNA 雙鏈之間的交聯（DNA interstrand crosslink , 以下簡稱為 ICL）破壞我們的基因並誘發癌症。
生物體內具有兩種對抗乙醛造成的損害的機制，第一種是通過合成乙醛脫氫酶 2（ALDH2）來快速將乙醛分解無害的分子。可對於擁有數千年飲酒文化的東亞人來說，36% 的人口具有乙醛脫氫酶 2（ALDH2）缺陷，這導致乙醛的堆積並對國人的身正造成極大的傷害。但大自然也給了我們除了 ALDH2 之外對抗乙醛的第二種工具，那就是 DNA 交聯修復機制。
2011 年，Nature 報道一種由範可尼貧血症 DNA 修復通路（Fanconi anaemia DNA repair pathway，以下簡稱為 FA 通路）介導的 ICL 修復機制，為人類揭示一種人體對抗乙醛毒性的全新機制 [1]。
但最近一項新的發現告訴我們，這種 ICL 的修復並沒有我們想的這麼簡單。
2020 年 3 月 4 日，來自劍橋 MRC 實驗室的 Ketan J. Patel 和荷蘭 Oncode Institute 的 Puck Knipscheer 所領導的團隊在 Nature 發表了題為《Alcohol-derived DNA crosslinks are repaired by two distinct mechanisms》的文章，報道了生物體內一種修復乙醛誘導 ICL 的全新機制 [2]，這種方法比 FA 通路更加安全。
主要研究內容
為了研究 ICL，研究人員特意構建了一種新的研究體系。
他們利用乙醛與鳥嘌呤反省形成 N2 -propanoguanine（PdG）再與互補鏈上的 PdG 形成的 ICL 的原理，在一段核酸雙鏈上特定的鹼基位點製造了原始乙醛 ICL(AANAT-ICL)，並將這段序列構建進質粒得到 pICL- AANAT。
除此之外，抗癌藥順鉑也能造成 ICL，為了研究順鉑和乙醛導致的 ICL 之間的差異，研究人員也搭建了順鉑誘導的 ICL 體系，pICL-Pt。隨後他們將兩個質粒引入到常用於研究 ICL 的蛙卵。
FA 通路介導的修復會引入 DNA 的斷裂和同源重組，該過程中會形成複製/修復中間體（replication/repair intermediates ，以下簡稱 RRI）。電泳結果表明 pICL- AANAT 和 pICL-Pt 體系都形成了大量 RRI，並在體內實現了擴增，這意味著研究方法切實可靠。
有趣的是，研究人員也發現 pICL- AANAT 的修復速度比 pICL-Pt 更快。另一種 NotI 酶切實驗也驗證了 DNA 修復的發生，而且 pICL- AANAT 中 ICL 修復出現的量也遠大於 pICL-Pt。
隨後，研究人員通過敲除 FA 通路中關鍵基因 FANCD2 和 p97 以關閉 FA 通路介導的修復。他們發現 pICL-Pt 的 ICL 修復被完全停止，但 pICL- AANAT 的 ICL 修復只被減少一小部分。這意味著與 pICL-Pt 的不同，乙醛誘導 ICL 的修復涉及了除 FA 通路外一種更快、更強的未知機制。
當研究人員將原始 AANAT-ICL 還原得到 AAred-ICL，這種還原過的 ICL 難以水解。研究人員隨後發現 AARED-ICL 也能被修復，但這種修復只與 FA 通路有關，這進一步證明了 AANAT-ICL 修復同時使用了已知的 FA 通路。
通過阻斷 DNA 複製，研究人員發現這種新的修復機制依舊同 FA 通路一樣需要 DNA 複製才能完成，而順鉑修復中的 DNA 複製會形成一種複製叉的匯合（Fork convergence）。進一步研究表明，使用 LacR 抑制複製叉的形成能阻止 AANAT-ICL 的修復。
需要複製叉的交匯與 FA 通路介導的修復是相似的，而通過 FA 通路解開 DNA 交聯需要剪開 DNA 鏈再進行 DNA 複製。研究人員繼續探究了這種新機制是否涉及 DNA 的剪切，他們再次通過移除 FA 通路，並通過酶切後的片段大小判斷修復過程中是否發生了 DNA 剪切。
隨後，他們發現沒有 DNA 剪切的 AANAT-ICL 依然能夠被修復，這證明了這條新的修復通路不涉及類似於 FA 通路的 DNA 的剪切。
為了進一步探究這種新修復機制的深層原理，研究人員探究了這種機制是否引入了 FA 機制所需要的 DNA 加合物（DNA adducts）並需要跨損傷 DNA 合成（Translesion DNA synthesis, TLS），而這種 TLS 直接在加合物對面插入併合成 DNA 以修復受損位點，且需要 REV1 的參與。
所以研究人員敲除了 REV1，並發現 REV1 的敲除導致了 pICL-Pt 修復的鹼基插入在受損點 0 位的堆積，但導致 pAANAT-ICL 和 pAARED-ICL 在受損點的- 1 位的堆積。這意味著 FA 通路和這種新發現通路都需要 TLS，但 TLS 的插入機制不同，後者可以直接通過- 1 位而不是受損的 0 位本身進行修復。
而且與 FA 通路只在任意一側的 DNA 鏈引入加合物不同，這種新的機制能夠用新的鳥嘌呤在上游鏈替代受損鳥嘌呤，然後複製延伸，與此同時在下游鍊形成一個 DNA 加合物。
最後研究人員探究了這種修復的保真度問題。常見的 FA 通路單獨修復 pICL-Pt 的突變率低於 2%，最常見的突變是 G>T 突變。而新的修復機制雖然更快，但和 FA 通路混合修復 pILC-AANAT 時綜合突變率高達了 10%，而且突變的種類也大不相同。其突變的組合和出現的頻率進一步證實了新修復機制在解開交聯的同時會在下游鏈得到一個單鹼基 PdG 加合物。
研究意義
儘管這種新的機制會引入更多的突變，但其不會剪切 DNA 的特性不會導致染色體的重組，也因此降低了癌症的發生，為人體抵抗乙醛的機制提供了新的解釋。
可遺憾的是，該研究並未發現直接參與修復的蛋白質。研究人員推測可能是某種酶促反應造成了這種修復，找到這個特定的蛋白將會為治療範可尼貧血症和酒精相關癌症打開新的大門。這種修復機制是否和其他細胞毒性導致的 DNA 損傷有關也值得更多研究。
與此同時，生物體修復 DNA 損傷的機制多種多樣，同源重組和非同源性末端接合的修復機制更是包括 CRISPR 在內的基因編輯工具的基石，它們直接參與剪切之後的修復工作。這種新的修復機制是否能加以改進或者與基因編輯技術聯用以提高基因編輯的效率也值得一探究竟。
延伸閱讀
該論文的通訊作者來自劍橋 MRC 實驗室的Ketan J. Patel 是酒精導致 DNA 損傷研究的泰斗，他關於 AA-ICL 的修復研究可以追溯之前提到過的這篇 2011 年題為《Fancd2 Counteracts the Toxic Effects of Naturally Produced Aldehydes in Mice》的 Nature 論文 [1]。
該研究揭示的修復通路就是以範可尼貧血症（Fanconi anaemia）命名，為人類揭開了生物如何對抗酒精代謝物的神秘面紗。
2018 年 Ketan J. Patel 也在 Nature 的發表了一篇重磅論文指出乙醛對幹細胞造成損傷並誘發癌症 [3]。該研究在當時造成了不小的影響，也被不少人認為是喝酒有百害而無一例的鐵證。隨著研究的推進，人類對酒精造成的 DNA 損傷也越來越瞭解。
我國擁有著漫長的酒文化，但小編一直認為勸酒等行為是我國文化中的陋習。漢族人天生的 ALDH2 缺陷讓我們不適合飲酒，而人體對抗乙醛導致的 DNA 損傷也並不是完美的。
就算這些新的研究能幫助我們研發藥物來降低酒精帶來的損傷，但都不如一開始就不要喝酒。
參考文獻：
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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