DNA的损伤与修复

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。

DNA突变与损伤修复

一、DNA突变概念

DNA突变是指个别dNMP（脱氧单磷酸核苷）残基以至片段DNA在结构、复制或表型功能的异常变化，也称为DNA损伤。

DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要。外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变，而且与RNA及蛋白质可以在细胞内大量合成不同，一般在一个原核细胞中只有一份DNA，在真核二倍体细胞中相同的DNA也只有一对，如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到后代。 所以在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤的能力就显得十分重要，也是生物能保持遗传稳定性之所在。在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA，反映了DNA对生命的重要性。另一方面，在生物进化中突变又是与遗传相对立统一而普遍存在的现象，DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。

二、DNA突变主要形式

1、自发性损伤

2、物理因素引起的损伤

3、化学因素引起的损伤DNA的损伤修复

三、DNA损伤修复机制

DNA损伤修复(repair of DNA damage)在多种酶的作用下，生物细胞内的DNA分子受到损伤以后恢复结构的现象。 DNA损伤修复的研究有助于了解基因突变的机制，衰老和癌变的原因，还可应用于环境致癌因子的检测。

1、光复活修复机制

紫外线可造成彼此相邻的嘧啶碱基形成二聚体（嘧啶二聚体会减弱了双链之间氢键作用，引起了DNA变形。如果生物体内修复系统失灵，则细胞走向死亡），该二聚体可被一种光裂解酶打开，恢复到正常碱基状态。

2、切除修复

（1）切除修复：切除修复是在DNA内切酶，DNA外切酶，DNA连接酶等共同作用下，将DNA分子受损伤部分切除，并以完整的一条链为模板，合成切除的部分使DNA恢复到正常结构的过程。

DNA损伤修复通路

一．DNA损伤检验点与损伤修复及基因组稳定性_英文_刘巍峰

DNA损伤检查点通路是高度的保守的细胞过程。它的很多元素在低等真核生物与多细胞高等生物之间有功能同源性。整个通路可以大致分分为三部分，即损伤感受器、信号传感器和信号效应器。磷脂酰肌醇-3-OH激酶样激酶、ATM、ATR的激活是通路激活的第一步。激活的ATM和ATR，通过一类传感器媒介，激活效应激酶CHK1和CHK2。停止或减缓细胞周期进程。

在无应力条件下，ATM以不活泼的同聚二聚体存在。基因组中的DNA 双链断裂导致高级染色质结构的一些微妙变化， 使ATM蛋白的构象变化，这个促进ATM单体的1981丝氨酸的分子间的快速磷酸化，引起二聚体解离。激活的单体作用于它的许多下游底物，如p53，NBS1、BRCA1和SMC1.

因此， DSB那样的DNA损伤导致ATM 激活通过两个不同的步骤：（1）染色质结构损伤部位的真实变化诱导快速的分子间自磷酸化和二聚体解体；（2）活化的ATM单体定位损坏部位以进一步作用于下游子，在ATM的定位过程中，MRN（MRE11-RAD50-NBS1）复合物发挥重要作用。它可以以独立于ATM的方式快速定位于双链断裂损伤点。最近的研究结果表明 MRN的NBS1亚基可以直接与ATM相互作用。此外，MRN复合物累积在DSB，可通过解散DSB末端进一步刺激ATM激酶活性。

相比于ATM活动的快速增长在细胞暴露于电离辐射后，活性ATR激酶的变化不明显。然而，已经证明了ATR通路是防止复制的起源过度激活的关键，即使没有任何外界的DNA损伤。此外，ATR敲除小鼠是致死的，暗示了ATR在正常细胞功能中的重要作用。DNA复制、DNA重组和DNA修复等过程产生的单链DNA很快被复制蛋白A（RPA）占据，它可与ATRIP亚基结合，以募集ATR-ATRIP复合物到DNA单链区域。招募的ATR现在可以在其底物上发挥作用如RAD17和CHK1。 与在ATM通过增加自身活性来激活检查点通路不同，ATR的功能的合适发挥很大程度上取决于它的位置。除了RPA之外，有效的磷酸化ATR下游底物的需要RAD17-RCF2-5复合体，PCNA类似物Rad9-Hus1-Rad1复合物和Claspin。虽然上述两个复合物在ATR中的确切作用路径不明确，他们可能作为DNA损伤感受器，能够识别并结合DNA损伤位点RCF通过取代RFC和PCNA. 与ATM相比，ATR通路可能响应更广范围的影响正常复制进行的细胞应激。 另一方面，ATM和ATR途径是互补的。对于DNA双链断裂，在早期反应中ATM的快速激活和其启动的信号转导是主要的，而ATR通路可能有助于在合适的时期维持反应。虽然ATM的激活先于ATR，因为后者需要处理的DSB，它们的协调激活确保了有效的DNA损伤修复而不损害细胞功能。