DNA damage is implicated in the pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). However, relationships between DNA damage accumulation, DNA damage response (DDR), and upper and lower motor neuron vulnerability in human ALS are unclear; furthermore, it is unknown whether epigenetic silencing of DNA repair pathways contributes to ALS pathogenesis. We tested the hypotheses that DNA damage accumulates in ALS motor neurons along with diminished DDR, and that DNA repair genes undergo hypermethylation. Human postmortem CNS tissue was obtained from ALS cases (N = 34) and age-matched controls without neurologic disease (N = 15). Compared to age-matched controls, abasic sites accumulated in genomic DNA of ALS motor cortex and laser capture microdissection-acquired spinal motor neurons but not in motor neuron mitochondrial DNA. By immunohistochemistry, DNA damage accumulated significantly in upper and lower motor neurons in ALS cases as single-stranded DNA and 8-hydroxy-deoxyguanosine (OHdG) compared to age-matched controls. Significant DDR was engaged in ALS motor neurons as evidenced by accumulation of c-Abl, nuclear BRCA1, and ATM activation. DNA damage and DDR were present in motor neurons at pre-attritional stages and throughout the somatodendritic attritional stages of neurodegeneration. Motor neurons with DNA damage were also positive for activated p53 and cleaved caspase-3. Gene-specific promoter DNA methylation pyrosequencing identified the DNA repair genes Ogg1, Apex1, Pnkp and Aptx as hypomethylated in ALS. In human induced-pluripotent stem cell (iPSC)-derived motor neurons with familial ALS SOD1 mutations, DNA repair capacity was similar to isogenic control motor neurons. Our results show that vulnerable neurons in human ALS accumulate DNA damage, and contrary to our hypothesis, strongly activate and mobilize response effectors and DNA repair genes. This DDR in ALS motor neurons involves recruitment of c-Abl and BRCA1 to the nucleus in vivo, and repair of DNA double-strand breaks in human ALS motor neurons with SOD1 mutations in cell culture.

中文翻译：

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DNA 损伤会在人类 ALS 大脑和脊髓运动神经元中积累和反应，并且在具有 SOD1 突变的 iPSC 衍生运动神经元中可激活 DNA 修复。


DNA 损伤与肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 的发病机制有关。然而，人类 ALS 中 DNA 损伤累积、DNA 损伤反应 (DDR) 和上、下运动神经元脆弱性之间的关系尚不清楚。此外，DNA 修复途径的表观遗传沉默是否有助于 ALS 发病机制尚不清楚。我们测试了以下假设：DNA 损伤随着 DDR 的减少而在 ALS 运动神经元中累积，并且 DNA 修复基因发生高甲基化。人类死后 CNS 组织取自 ALS 病例 (N = 34) 和年龄匹配的无神经系统疾病对照 (N = 15)。与年龄匹配的对照相比，脱碱基位点在 ALS 运动皮层的基因组 DNA 中积累，并且激光捕获显微切割获得的脊髓运动神经元，但在运动神经元线粒体 DNA 中则没有。通过免疫组织化学分析，与年龄匹配的对照组相比，ALS 病例的上运动神经元和下运动神经元中的 DNA 损伤显着累积，表现为单链 DNA 和 8-羟基脱氧鸟苷 (OHdG)。 c-Abl 积累、核 BRCA1 和 ATM 激活证明了 DDR 参与了 ALS 运动神经元。 DNA 损伤和 DDR 存在于神经变性的磨损前阶段和整个体细胞树突磨损阶段的运动神经元中。 DNA 损伤的运动神经元的激活 p53 和裂解 caspase-3 也呈阳性。基因特异性启动子 DNA 甲基化焦磷酸测序鉴定出 ALS 中 DNA 修复基因 Ogg1、Apex1、Pnkp 和 Aptx 甲基化程度低。在具有家族性 ALS SOD1 突变的人类诱导多能干细胞 (iPSC) 衍生的运动神经元中，DNA 修复能力与同基因对照运动神经元相似。 我们的研究结果表明，人类 ALS 中的脆弱神经元会积累 DNA 损伤，并且与我们的假设相反，会强烈激活和动员反应效应器和 DNA 修复基因。 ALS 运动神经元中的 DDR 涉及体内将 c-Abl 和 BRCA1 募集到细胞核，以及在细胞培养中修复具有 SOD1 突变的人 ALS 运动神经元中的 DNA 双链断裂。