紫外线辐射对DNA的损伤与修复机制

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30371613,30425017)作者单位:100083北京大学医学部生物化学与分子生物学系通讯作者:朱卫国,E-mai:lzhuweiguo@󰀁专题综论󰀁DNA的损伤与修复柴国林󰀁朱卫国【主题词】󰀁DNA损伤;󰀁DNA修复【Subjectwords】󰀁DNAdamage;󰀁DNArepair󰀁󰀁细胞的生物信息储存在DNA中。在真核细胞中,绝大多数(98%)DNA与蛋白质结合形成染色质存在于细胞核内,一小部分存在于其他细胞器中,如线粒体内。DNA由鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、戊糖和磷酸组成,碱基不同的排列顺序编码了不同的生物信息。在细胞的生存过程中,DNA会遭到内源性和外源性的损伤(表1),例如放射线[1]和化学物质[2]。正常细胞的DNA损伤是诱发疾病的原因之一。然而对于肿瘤细胞,DNA损伤可以作为治疗肿瘤的一种手段。临床常用的化学物理疗法中,绝大多数是针对于DNA的。因此,DNA一直是放疗、化疗的重要靶点,在肿瘤的治疗中有非常重要的意义。如何诱导肿瘤细胞DNA损伤,防止DNA损伤的修复,进而诱导肿瘤细胞的坏死与凋亡,是肿瘤治疗研究的重点。表1󰀁哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率DNA损伤类型次󰀁细胞-1󰀁d-1单链损伤55000脱嘌呤13000脱嘧啶650鸟氨酸-O6甲基化3100胞嘧啶脱氨基200葡萄糖-6-磷酸加合物3胸腺嘧啶乙二醇270胸苷乙二醇70羟甲基尿嘧啶6208-氧鸟氨酸180分子间交联8双链断裂9DNA-蛋白质交联不清󰀁󰀁一、DNA损伤的形式及生物效应不同的损伤源会产生不同类型的损伤。DNA在损伤因素的作用下,主要产生碱基损伤和DNA链的断裂。碱基损伤包括:单碱基加合物、碱基改变和碱基缺失。链的损伤主要有DNA二聚体、单链断裂和双链断裂。DNA损伤最主要的结果是突变和细胞死亡[3]。突变的主要类型有:碱基替换(basesubstitution)、碱基缺失(deletion)和插入(insertion)。DNA损伤的主要生物效应是细胞突变和死亡。突变主要产生于复制过程中,当DNA聚合酶复制到损伤部位时,受损的碱基会使聚合酶插入错误的碱基。例如,聚合酶经常将胸腺嘧啶与O6甲基鸟嘌呤配对,这样G-C配对就会转变成为A-T配对。DNA损伤的另一个结果是细胞死亡。大量的损伤可以直接诱导细胞死亡。此外,DNA损伤还可以通过诱导凋亡促使细胞死亡。其中,最为典型的例子就是5-氮脱氧胞苷与HDAC抑制剂联合诱导肺癌细胞凋亡[4]。最近的研究表明,5-氮脱氧胞苷能够诱导DNA损伤[5],而且这种损伤是5-氮脱氧胞苷与组蛋白去乙酰化酶抑制剂诱导细胞凋亡的前提。二、DNA损伤的监测点和与DNA损伤相关的蛋白质DNA损伤的检测是一种多个蛋白质共同参与的过程。在这个过程中,有多个监测点,分别在G1或S期、S期、G2期和M期。这些监测点主要使受损伤的DNA不会被复制,从而保证损伤不会被遗传给子代细胞。损伤的DNA能够被多种蛋白质所识别(表2)。这些蛋白质对于损伤的修复具有两面性:一方面,有些蛋白质与损伤部位结合后,能够作为DNA受到损伤的信号传递给修复系统;另一方面,有些蛋白质与损伤的部位结合后,掩盖了受损的部位,使其不能够被修复系统识别,从而导致细胞突变或死亡。由此可见,这些蛋白质对于DNA损伤的修复和基因组的稳定起着非常重要的作用。其中,掩盖损伤位点的蛋白质分别是:拓扑异构酶、HMG(highmobility-groupprotein)蛋白和TBP(TATAbindingprotein)。󰀁577󰀁中华肿瘤杂志2005年10月第27卷第10期󰀁ChinJOnco,lOctober2005,Vol27,No.10表2󰀁真核细胞中与DNA损伤相互作用的蛋白质DNA损伤类型DNA修复方式参与的蛋白质BasemismatchesMMRhTop1,ctTop1BERdTop,rTop2,hTop2󰀁Abasicsites(AP)BERctTopNERdTop2,hTop2󰀁,hTop2󰀁BERintermediatesBERhTop2󰀁󰀁5󰀁-nickedAP󰀁3󰀁-nickedAP󰀁5󰀁-dRflapOxidizedbasesBER,TCR󰀁8-oxoGYMutS,hTop1󰀁8-oxoAhTop2󰀁,hTop2󰀁󰀁5-OHChTop1AlkylatedbasesAlkyltransferase󰀁O6-meGdeoxygenase,NERhMutS󰀁,hTop2󰀁,hTop2󰀁,hTop1󰀁O4-meThMutS󰀁󰀁󰀁AhTop2󰀁andhTop2󰀁,hTop1UVphotoproducts(CPD,6-4PP)NER,TCRyPhr1,RPA,MutS󰀁,hTBP,TFTC,hATR,hTop1,dTop2BPDEadductsNER,TCRhTop1andrTop1󰀁CisplatinintrastrandcrosslinksNERRPA,hMutS󰀁󰀁1,2-d(GpG)hTBP󰀁1,2-d(ApG)YB-1,HMG1,mtTFA,SRY,UBF,Nhp6A,Ixr1,rHistoneH1Psoraleninterstrandcross-linksND󰀁SpⅡ󰀁*SinglestrandbreaksNDhTop1RibonucleotidesNDhTop2󰀁,hTop2󰀁sugarmodificationscytosineDNApolymerasehTop1arabinosideexonucleasehTop2󰀁,hTop2󰀁GemcitabineNDhTop1使损伤的DNA易于被修复的蛋白质分别是:Ixr1(HMGcontainingtranscriptionfactorintrastrandcross-linkrecognitionprotein)和YB-1等。高表达这些蛋白质的细胞,对于化疗药物存在很高的耐药性。󰀁󰀁三、DNA损伤的修复(一)核DNA损伤的修复细胞通过两种机制对DNA损伤进行修复:一种是将损伤的DNA切除,合成一段新的DNA来代替损伤的DNA,这种修复是切除修复(excisionrepair);另一种修复不需要合成新的DNA,在生理条件下,损伤直接从碱基上移除,使碱基恢复原来的状态,这种修复是损伤恢复(reversalofdamage)。损伤恢复最典型的例子是光分解酶(photolysase)修复由紫外线造成的DNA内二聚体和甲基转移酶修复的甲基化损伤。1.损伤直接逆转:这种修复方式最为简单,是指细胞在酶的作用下,直接将损伤的DNA进行修复。细菌的DNA在紫外线的照射下形成的嘧啶嘧啶二聚体,这种类型的损伤是在光分解酶的作用下直接修复的。另一个例子是甲基转移酶将鸟嘌呤(O6-甲基鸟嘌呤)和胸腺嘧啶(O4甲基胸腺嘧啶)O位上的甲基转移给自己,从而达到修复DNA的目的。2.切除修复:(1)碱基切除修复(baseexcisionrepair,BER):从细菌到人类细胞,碱基切除修复的蛋白质广泛存在。绝大多数自发的碱基损伤是靠碱基切除修复进行修复的。碱基切除修复由多蛋白、多步骤完成(图1)。以大肠杆菌为例:碱基切除修复首先由糖基酶分解由损伤碱基与DNA骨架形成的糖苷键,在切除的部位留下一个不含碱基的空位,然后由AP(apurinic/apyrimidinic)内切核酸酶在空位处切断DNA骨架,切断的DNA解螺旋(deangling)由脱氧核酸磷酸二酯酶来完成,最后,由DNA聚合酶填补碱基DNA连接酶,将新的碱基与DNA其他碱基连接起来。碱基切除修复也能够修复大量的碱基损伤。但受损碱基的移除不是由一种酶来完成的,而是由多个酶来完成的,每一种酶切除特定的损伤。例如,尿嘧啶糖基酶移除DNA内的尿嘧啶,3-甲基腺嘌呤糖基酶可以切除烷化的碱基。(2)核苷切除修复(nucleotideexcisionrepair,󰀁578󰀁中华肿瘤杂志2005年10月第27卷第10期󰀁ChinJOnco,lOctober2005,Vol27,No.10

缺钱的小憨皮

DNA damage response (DDR)

——损伤太强导致的细胞周期停滞（cell-cycle arrest）

DNA 分子在进行一系列DNA 的复制、包装、分离和转录等复杂的动态过程中伴随着大量的 DNA 损伤及复制错误。基因组还会受到各种存在于环境中的诱变剂攻击，例如电离辐射和化学试剂。各式各样的基因毒性压力伴随着许多类型的基因突变，包括双螺旋断裂（DSBs），单链的 DNA 断裂，DNA 交叉互换及插入，核苷酸碱基修饰、插入、缺失及染色体易位。其中危害最大的是 DNA 双链断裂。DNA 的损伤可以进一步破坏机体细胞、组织及器官。细胞进化出了一种 DNA 损伤应激反应可以修复 DNA 损伤，高度保守的 DNA

损伤修复应答机制可以维持基因组的完整性[1]。

DNA损伤应答（DNA Damage Response）是细胞对DNA损伤后的一种应激反应。正常细胞具有复杂的DNA损伤应激反应通路，其激活会引起细胞周期停滞、细胞凋亡或者细胞衰老，并抑制细胞癌变的发生[1]。当高水平的DNA 损伤发生时，细胞周期检查点被激活，使细胞周期停滞，待细胞修复系统修复这些损伤后，细胞周期恢复运转，其中，细胞周期检查点的激活需要 DNA 损伤达到一个阈值[2]。

细胞周期检查点的激活需要 DNA 损伤达到一个阈值

DNA 损伤能够激活细胞周期检查点，但是，事实上在增殖的哺乳动物细胞中，每小时每个细胞 DNA 大约发生一万次修饰。并不是任何程度的 DNA 损伤细胞都会发生激活检查点，在低水平的 DNA 损伤情况下，细胞周期检查点不会被激活，单个 DNA 双链断裂足以引起检查点的激活。DNA 损伤程度依赖于处理时间的长短，细胞周期检查点的激活需要

DNA 损伤达到一个阈值。

DNA 损伤激活细胞周期检查点[2]

自然界各种物理、化学因子如射线或化学药物可以引起细胞内 DNA 损伤。细胞增殖过程中，当 DNA 损伤发生时，细胞激活一种调节机制，使细胞周期停滞，待细胞修复系统修复这些损伤后，细胞周期恢复运转。当损伤不能被有效修复时可引起细胞的凋亡。细胞通过长期进化产生了一种保证细胞周期中DNA复制和染色体分配的质量的机制，通常称为细胞周期检查点（cell cycle checkpoint）。只有当细胞周期进程中发生异常事件时，如 DNA 损伤或染色体未正确分配等，检查点才会被激活。

中国病原生物学杂志　２０１５年４月　第１０卷第４期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐａｔｈｏｇｅｎ　Ｂｉｏｌｏｇｙ　Ａｐｒｉｌ　２０１５，Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．４　・　３８１　・　

ＤＯＩ：１０．１３３５０／ｊ．ｃｊｐｂ．１５０４２２　

病原体感染对宿主　ＤＮＡ损伤修复机制的影响　

汪琦　

（广东药学院基础学院病原生物学与免疫学系，广东广州５１０００６）　・综述・　

【摘要】基因组的完整和稳定是机体生存的基础，基　组异常导致肿瘤、免疫缺陷等多种疾病。ＤＮＡ损伤修复是维持　

核基因组完整和稳定的首要机制，机体通过ＤＮＡ损伤信号传导，激活相应的修复途径，如ＭＭＲ、ＢＥＲ、ＮＥＲ、ＳＳＥＲ、ＤＳ～　

ＥＲ等，以保持基因组的稳定。近年研究发现，病原体感染可改变、破坏或操纵宿主ＤＮＡ损伤修复途径，本文将综述细　

菌、病毒、寄生虫等病原体感染，对宿主ＤＮＡ损伤修复机制的直接影响。　

【关键词】　病原体；ＤＮＡ损伤修复；基因组完整和稳定；综述　

【中图分类号１　Ｒ３７　【文献标识码】　Ａ　【文章编号】　１６７３—５２３４（２０１５）０４—０３８１—０３　

［Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐａｔｈｏｇｅｎ　Ｂｉｏｌｏｇｙ．２０１５　Ａｐｒ；１０（４）：３８１—３８３．］　

Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｐａｔｈｏｇｅｎｓ　ｏｎ　ＤＮＡ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｒｅｐａｉｒ　ｐａｔｈｗａｙｓ　

ＷＡＮＧ　Ｑｉ（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０００６。Ｃｈｉｎａ）　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａｎ　ｏｒｇａｎｉｓｍ＇ｓ　ｇｅｎｏｍｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｓｕｒｖｉｖａ１．Ｇｅｎｏｍｉｃ　ａｂｎｏｒｍａｌｉｔｉｅｓ　ｃｏｎ～　

ｔｒｉｂｕｔｅ　ｔｏ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｕｍｏｒｓ　ａｎｄ　ｉｍｍｕｎｏｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＤＮＡ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｒｅｐａｉｒ（ＤＤＲ）ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｈａｖｅ　ｅ～　ｖｏｌｖｅｄ　ａｓ　ａ　ｋｅｙ　ｗａｙ　ｔＯ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｏｍｅ．Ｒｅｐａｉｒ　ｐａｔｈｗａｙｓ　ａｒｅ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＤＮＡ　

西部医学２０１３年１Ｏ月第２５卷第１Ｏ期　Ｍｅｄ　Ｊ　Ｗｅｓｔ　Ｃｈｉｎａ，Ｏｃｔｏｂｅｒ　２０１３，Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．１０　

ＤＮＡ损伤的同源重组修复机制＊　

杨　靖　。，石新丽　，李　莎　综述　王保宁　，李明远　审校　

（１．四川大学基础医学与法医学院微生物学教研室，四川Ｉ成都６１００４ｉ；　２．湖北医药学院基础医学院微生物学教研室，湖北十堰４４２０００）　

【摘要１　自然界生物体的基因组保持其完整性是机体细胞发挥正常功能和维持基本生存的必要条件。基因组在染　

色体自我复制的过程中由于受到各种内源性因素或者外源性因素的影响，存在多种形式的损伤。ＤＮＡ的双链断裂　

（ＤＳＢ）是ＤＮＡ最为严重的损伤形式，是诱发细胞学的反应最为复杂的、生物学的后果最为严重的、与恶性肿瘤等等健康　

相关问题的关系最为密切的损伤类型，如不能得到及时而准确地修复，可能会导致基因的突变、基因组的不稳定、细胞　

染色体的丢失和重组或者导致细胞的凋亡甚至癌变。现已发现同源重组修复途径（ＨＲ）是真核生物中ＤＳＢ的主要修复　

途径和方式，本文就ＨＲ的组成和修复机制进行综述。　

【关键词】　ＤＮＡ双链断裂（ＤＳＢ）；同源重组修复途径（ＨＲ）；肿瘤　

【中图分类号】Ｒ　３６３．２　【文献标识码】Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ。１６７２—３５ｌ１．２Ｏ１３．１０．０５４　

在自然界多种多样的生物体中，基因组保持其完整性是细　胞发挥正常功能和维持基本生存的必要条件．具有极为重要的　

生物学意义。然而，ＤＮＡ却非常容易受到损伤，如电离辐射、　

基因毒性剂、复制叉停止、核酸酶作用、减数分裂、免疫细胞基　

因重排等。在ＤＮＡ分子中存在的多种形式的损伤中，ＤＮＡ的　

双链断裂（ｄｏｕｂｌｅ－ｓｔｒａｎｄ　ｂｒｅａｋ，ＤＳＢ）是ＤＮＡ最为严重的损伤　

形式，如果不能得到及时而准确地修复，它可能会导致基因的　

突变、基因组的不稳定、细胞的染色体的丢失和重组或者导致　

细胞的凋亡甚至癌变Ｌ１］　在真核生物当中，同源重组修复途径