关于DNA损伤应答的研究进展

关于DNA 损伤应答的研究进展刘晓婷，梁臻龙，王成彬刘晓婷，硕士，医师。

就职于解放军总医院临床检验科，主要从事临床检验工作。

[摘要] DNA 损伤应答对保证生物遗传性状稳定具有非常重要的意义。

本文对近年来关于DNA 损伤应答在细胞周期监测点、基因表达调控、细胞凋亡以及肿瘤等方面的途径进行阐述。

[关键词] DNA 损伤应答；细胞周期监测点；基因表达调控；细胞凋亡[中图分类号] R363 [文献标志码] A [文章编号] 2095-2775（2015）04-0993-04[Abstract ] DNA damage response plays an important significance in ensuring stability in the genetic trait. This paper describes the DNA damage response pathway in the cell cycle monitoring, gene expression regulation, apoptosis and tumor.[Key words ] DNA damage response; cell cycle monitoring; gene expression regulation; apoptosis[作者简介] 刘晓婷，硕士，医师。

主要从事临床检验工作[作者单位] 100853 北京 中国人民解放军总医院临床检验科（刘晓婷，梁臻龙，王成彬）；325035 浙江温州 温州医科大学检验医学院、生命科学院（梁臻龙） [通讯作者] 王成彬，E-mail ：wangcb301@生命过程中，生物体的DNA 不断受到一些内源性或者外源性因素的攻击，比如：低氧环境、毒素、以及氧化应激等而受到不同程度的损伤，识别、修复DNA 的损伤，即DNA 损伤应答对保证生物遗传性状稳定具有非常重要的意义[1]。

DNA 损伤应答是指细胞内一种非常保守的抵御内在或者外界因素诱导的DNA 损伤的机制，是由多条信号传导通路构成的网络来监测和传递损伤信号，并形成一个适当的应答机制，主要包括细胞周期检验点及基因表达的调控等效应。

1 细胞周期监测点在细胞有丝分裂的过程中，为保证DNA 等遗传物质的正确复制及传到下一代，在G1、S 、G2、M 期有一套严格有效的细胞周期监测点，一旦DNA 损伤感受器检测到损伤的DNA ，便协调激活这些DNA 监测点，减慢或阻滞细胞周期的过程，从而使细胞有充足的时间进行DNA 的修复等过程[2]。

朱虹等发现ATM 、ATR 在DNA 损伤介导的细胞周期阻滞的过程中发挥着关键的作用，ATM 、ATR 属于PIKK 家族，当检测到有DNA 损伤时，将信号传至下游的靶蛋白，引发一系列的级联放大反应，Chk1、Chk2和cdc25家族成员通过磷酸化、泛素化等方式激活或者失活，产生细胞周期阻滞、DNA 损伤或细胞凋亡等效应[2]。

另外国内学者许兴智等发现BCL10调节RNF8 / RNF168-mediated 的泛素化在DNA 损伤应答中也起到了非常重要的作用[3]。

2 基因表达调控当DNA 损伤信号激活之后，DNA 损伤修复也被激活，DNA 损伤修复的途径主要包括2中，一种是DNA 双链断裂（DNA double-strand breaks DSBs ），细胞主要通过两条途径进行DSBs修复，一是同源重组(HR)，二是非同源末端连接(NHEJ)；一般认为，HR需要依赖姐妹染色单体的存在，即解旋酶（RPA）的作用下解旋为单链DNA，然后激活ATR途径。

HR是一种无错误修复途径，是细胞进行DSBs修复的主要机理。

相反，NHEJ是一种易出错的修复方式，这是一种可以连接两个没有同源性的DNA末端，这个过程不依赖细胞周期，所以，NHEJ修复方式贯穿于整个细胞周期。

但目前还不清楚是细胞如何选择修复方式[4]。

DNA损伤修复的另一种方式为DNA单链断裂（single -strand breaks SSBs），对于SSBs，却用不同的修复方式进行，主要方式包括：错配修复（MMR）、碱基剪切修复（BER）、核苷酸剪切修复（NER）[5]。

通常情况下，细胞通过这些修复方式，以完整的互补单链作为模板对受损的链进行修复。

MMR：自发产生的或化学物质(如烷化剂) 等引起的单个碱基的去氨基化、氧化、甲基化和复制错误，会产生碱基错配, 不能配对的DNA 链可形成环状结构[6]；BER：能够清除DNA中受到损伤的，尤其是发生氧化和甲基化的碱基，其代表分别为8-氧-7，8-二羟鸟嘌呤(8-O xo- G)和N-甲基嘌呤[7]；NER：如果为包括脱氧核糖骨架在内的大范围的DNA损伤，一般需要用NER修复，包括全基因组修复和转录偶联修复两种途径[6]。

3 DNA损伤应答与细胞凋亡DNA损伤应答机制重要而复杂，生物主要通过两种手段，即DNA损伤修复和细胞凋亡，来保护其正常的生理功能和稳定的遗传性状。

DNA损伤应答影响着组织器官的发育，细胞的衰老，凋亡以及肿瘤的发生和发展[8]。

当DNA修复失败时细胞将启动一种程序性死亡通路即细胞凋亡。

如果细胞内存在的损伤超出其修复能力细胞将被清除。

DNA损伤引起细胞凋亡是一种有效防止癌变的防御机制。

细胞凋亡同样为一个复杂的过程，其受到多种因子的参与，目前细胞凋亡与癌症发生和各种自体免疫性疾病之间的关系有着很多研究。

人们希望激发癌细胞的细胞凋亡，以达到消除癌症的目的。

细胞凋亡可分为2个过程：开始阶段和效应阶段。

其开始阶段又可以分为内源性途径和外源性途径[1]。

内源性途径一般开始于肿瘤抑制因子如P53等，P53能刺激Bcl-2家族中于细胞凋亡前起作用的成员（如Bax, Bad）的表达。

这将导致线粒体内外膜间的物质释放，如细胞色素C和Smac/DIABLO，它们都是作用于细胞凋亡前的物质。

细胞色素C和胞质中的Apaf-1以及Procaspase 9共同组成所谓的凋亡体，其实就是Caspase 9的活化形式。

从而产生级联反应。

外源性途径是通过TNF受体家族（如CD95）的受体与配体结合开始的。

在FADD的作用下，活化半胱天冬酶8（Caspase 8），同Caspase 9相似引发级联反应[9]。

在p53和NF-κB促细胞凋亡和促细胞存活双重作用下，低水平DNA损伤能够触发DNA 修复而高水平则触发细胞凋亡。

因此在DNA损伤发生时p53和NF-κB能够保护细胞但是损伤无法修复时它们将发挥其促凋亡作用。

P53能够转录调节促凋亡和抗凋亡基因，促凋亡基因有FAS－R、Bax、PUMA、NOXA等；抗凋亡基因包括DDB2、XPC、Fen1、MGMT 和MSH2。

因此P53有着双重作用，一方面通过增强DNA修复起到促生存作用，另一方面通过增强细胞凋亡敏感性起到促凋亡作用这种情况下P53刺激DNA修复或者促进细胞凋亡完全依赖于DNA损伤，这可能取决于DNA损伤的程度及细胞耐受能力。

其他因子如NK-κB、BRCA1、PARP、ATM/ATR、EGFR、H2AX[10]等也参与细胞凋亡和抗凋亡的过程。

4 DNA损伤应答与肿瘤DNA损伤应答功能正常是确保细胞进行正常发展的重要途径，但如果其功能缺陷，缺失等将会对人体造成伤害，比如说发展为肿瘤等恶性疾病。

有研究表明，MMR缺陷在恶性肿瘤的发生、发展中有一定的致病作用。

p53作为一个重要的细胞凋亡调控及肿瘤抑制因子，广泛参与调控DNA损伤应答过程。

但是在多种恶性肿瘤中，p53都表现为基因的突变或缺失。

而p53突变或缺失将直接导致细胞内细胞信号转导途径的改变以及细胞DNA损伤修复和凋亡机制的失调[11]。

有研究发现，MMR 机制异常的细胞，其DNA重复序列的移码突变频率会显著升高，导致细胞遗传学的不稳定- MSI。

这一现象可见于约15%的人类大肠癌、胃癌和子宫内膜癌病例[7]。

5DNA损伤与ncRNAs随着人们对生物领域研究的深入，非编码RNA(non-coding RNAs, ncRNAs)在一系列生物学事件中的作用被越来越多的发现和认识。

比如，一些ncRNA可以在DICER和DROSHA的作用下切割成短的双链小RNA，这些小RNA靶向沉默细胞内的mRNA，这也就是我们常说的RNA干扰。

有研究者发现在人类、小鼠和斑马鱼中，DICER和DROSHA是激活DDR途径所必须的，而RNAi途径的下游分子对DDR的激活没有影响。

通过对DDR蛋白簇集点和对细胞周期检验点的分析，研究人员指出DDR蛋白簇集点对RNA酶A敏感，而DICER和DROSHA的加工产物在修复RNA酶A处理过的细胞DDR蛋白簇集点中是必须的。

通过对RNA深度测序和对双链DNA断裂的细胞中DDR活性的检测，研究人员证明了，DDR蛋白簇集点的形成需要一类小RNA的参与，这类名为DDRNA的小RNA 正是DICER与DROSHA的加工产物。

该研究揭示了非编码RNA一项意想不到的新功能，同时使我们对DDR途径有了新的认识[12]。

随着对DNA损伤应答的了解越来越深入，越来越全面，我们可以更充分利用这些资源来研究DNA损伤应答和肿瘤之间的关系，为我们突破肿瘤等一些难题建立了一些基础。

相信对DNA损伤应答的机理和过程的越来越全面的了解，对人类疾病的探索会更深入，更好的为我们服务。

图1细胞凋亡的信号途径[1]【参考文献】[1] Nowsheen S, Yang ES. The intersection between DNA damageresponse and cell death pathways.[J] Experimental oncology, 2012, 34(3): 243-254.[2] 朱虹, 缪泽鸿, 丁健. ATM, ATR和DNA损伤介导的细胞周期阻滞[J]. Chinese Bulletin of Life Sciences, 2007, 19(2).[3] Zhao H, Zhu M, Dou G, et al. BCL10 regulatesRNF8/RNF168-mediated ubiquitination in the DNA damage response.[J] Cell cycle, 2014, 13(11): 1777-1787.[4] Aziz K, Nowsheen S, Pantelias G, et al. Targeting DNA damageand repair: embracing the pharmacological era for successful cancer therapy[J]. Pharmacology & therapeutics, 2012, 133(3):334-350.[5] Nowsheen S, Whitley AC, Yang ES. Biomarkers to assess thetargeting of DNA repair pathways to augment tumor response totherapy[J]. Current molecular medicine, 2012, 12(6): 788-803. [6] Bellacosa A. Functional interactions and signaling properties ofmammalian DNA mismatch repair proteins[J]. Cell death and differentiation, 2001, 8(11): 1076-1092.[7] 牛奕, 陈书长. DNA损伤应答机制异常与MDS发生, 发展的关系[J]. 癌症进展, 2005, 3: 012.[8] 韩悦, 陈德喜, 郭洪亮. DNA损伤应答通路研究现状[J]. 中华肿瘤防治杂志, 2013, 20(022): 1775-1778.[9] Polo SE, Jackson SP. Dynamics of DNA damage responseproteins at DNA breaks: a focus on protein modifications[J].Genes & development, 2011, 25(5): 409-33.[10] Cha H, Lowe JM, Li H, et al. Wip1 directly dephosphorylatesgamma-H2AX and attenuates the DNA damage response.[J] Cancer research, 2010, 70(10): 4112-4122.[11] 位全芳, 朱琼, 常宇骁, 等. siRNA 靶向沉默 p53 对 PCNA泛素化修饰及细胞凋亡的影响[J]. 海南医学, 2014, 25(6): 785-787.[12] Francia S, Michelini F, Saxena A, et al. Site-specific DICER andDROSHA RNA products control the DNA-damage response[J].Nature, 2012, 488(7410): 231-235.。