DNA損傷與修復(fù)的調(diào)控機(jī)制解析

一、DNA 損傷

1.外源性損傷
外源性因素被視作引發(fā) DNA 突變，進(jìn)而誘發(fā)癌癥的關(guān)鍵力量。物理誘變劑首當(dāng)其沖，其中太陽輻射中的紫外線（波長 200 - 300 納米）極具代表性。它會(huì)促使 DNA 鏈上相鄰的嘧啶堿基（胞嘧啶與胸腺嘧啶）形成共價(jià)交聯(lián)，嚴(yán)重干擾 DNA 的正常結(jié)構(gòu)與功能。電離輻射（如 x 射線）則通過在細(xì)胞內(nèi)催生自由基，產(chǎn)生高活性的氧物質(zhì)（ROS），最終導(dǎo)致 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)單鏈或雙鏈斷裂，如同在精密的遺傳藍(lán)圖上撕開了一道道口子。

化學(xué)誘變劑也不遑多讓，它們能夠?qū)⑼榛�共價(jià)連接到 DNA 堿基上。以氮芥化合物為例，這類物質(zhì)可使 DNA 堿基甲基化或乙基化。此外，原本化學(xué)性質(zhì)惰性的致癌物原，經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化為高活性致癌物后，能與 DNA 反應(yīng)生成 DNA 加合物，像苯并 [a] 芘，在細(xì)胞色素 P450 酶的介導(dǎo)下，經(jīng)兩次氧化反應(yīng)生成苯并 [a] 芘二醇環(huán)氧化物（BPDE），這種強(qiáng)致癌代謝物能與 DNA 共價(jià)結(jié)合，改變 DNA 的化學(xué)組成，極大地增加了基因突變的風(fēng)險(xiǎn)。

2.內(nèi)源性損傷
內(nèi)源性的代謝與生化反應(yīng)同樣是 DNA 損傷的重要源頭。水解反應(yīng)能部分甚至完全切斷核苷酸堿基與 DNA 鏈的連接。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，每天約發(fā)生 10,000 次脫嘌呤事件，即嘌呤堿基（腺嘌呤或鳥嘌呤）與脫氧核糖磷酸鏈間的化學(xué)鍵自發(fā)斷裂。脫嘧啶現(xiàn)象（胸腺嘧啶或胞嘧啶失去嘧啶基）也時(shí)有發(fā)生，只是速率相較脫嘌呤低 20 至 100 倍。

細(xì)胞內(nèi)還存在脫氨反應(yīng)，腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶環(huán)上的胺基會(huì)因此丟失，分別轉(zhuǎn)變?yōu)榇吸S嘌呤、黃嘌呤和尿嘧啶。倘若尿嘧啶堿基在后續(xù) DNA 復(fù)制時(shí)未被修正，極有可能被誤讀為胸腺嘧啶，從而引發(fā) C→T 點(diǎn)突變。DNA 甲基化作為一種特殊的烷基化形式，在細(xì)胞內(nèi)與 s - 腺苷蛋氨酸（SAM）反應(yīng)后發(fā)生。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，甲基化常發(fā)生于距離鳥苷基（G） 5′的胞嘧啶堿基（C）的 5 位，形成序列 CpG。而甲基化的 5 - 甲基胞嘧啶產(chǎn)物自發(fā)脫氨后會(huì)產(chǎn)生胸腺嘧啶，由于其未被 DNA 修復(fù)酶識(shí)別為異常堿基，在 DNA 復(fù)制中就會(huì)產(chǎn)生 C→T 點(diǎn)突變。

正常代謝過程產(chǎn)生的 ROS 也會(huì)對 DNA 造成氧化損傷。嘌呤和嘧啶堿基均易被氧化，其中鳥嘌呤氧化為 8-oxo-7,8 - 二氫鳥嘌呤較為常見，對應(yīng)的核苷酸 8-oxo - 脫氧鳥嘌呤（8-oxo-dG）能與脫氧腺苷堿基配對，而非正常的脫氧胞苷堿基。若此錯(cuò)誤未被錯(cuò)配修復(fù)酶察覺并糾正，后續(xù)復(fù)制的 DNA 將出現(xiàn) C→A 點(diǎn)突變。ROS 還可能導(dǎo)致脫氧核糖核酸發(fā)生脫嘌呤、脫嘧啶以及單鏈或雙鏈斷裂。

在細(xì)胞周期 S 期的 DNA 復(fù)制階段，同樣危機(jī)四伏。負(fù)責(zé)復(fù)制模板 DNA 的聚合酶存在一定錯(cuò)誤率，可能會(huì)摻入與模板 DNA 不匹配的核苷酸。化學(xué)修飾的核苷酸前體也可能被聚合酶錯(cuò)誤地整合到新生成的 DNA 中。此外，當(dāng)復(fù)制富含重復(fù)核苷酸或重復(fù)序列的 DNA 片段（微衛(wèi)星區(qū)）時(shí)，聚合酶容易因鏈滑移，導(dǎo)致子鏈中核苷酸數(shù)量異常。單鏈和雙鏈裂解也可能發(fā)生，單鏈斷裂可能源于脫氧核糖基磷酸鏈的脫氧核糖部分受損，同時(shí)也是堿基切除修復(fù)途徑中 AP - 核酸內(nèi)切酶作用后的中間步驟；雙鏈裂解在細(xì)胞經(jīng)過 S 期時(shí)更為常見，因?yàn)榇藭r(shí)展開的 DNA 作為復(fù)制模板更為脆弱。

二、DNA 修復(fù)機(jī)制

1.MGMT
面對 DNA 損傷，細(xì)胞進(jìn)化出了多種應(yīng)對策略。o6 - 甲基鳥嘌呤 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（MGMT，即 DNA 烷基轉(zhuǎn)移酶）能夠從鳥嘌呤上分離甲基和乙基加合物。值得注意的是，這并非傳統(tǒng)的催化（酶促）反應(yīng)，而是化學(xué)計(jì)量（化學(xué)）反應(yīng)，每去除一個(gè)加合物就會(huì)消耗一個(gè) MGMT 分子。研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá) MGMT 的細(xì)胞對癌癥的抵抗力更強(qiáng)，或許是因?yàn)樗鼈兡苡行У窒�大量的烷基化損傷。近期 Niture 等人的研究表明，使用半胱氨酸 / 谷胱甘肽增強(qiáng)藥物和天然抗氧化劑可提升 MGMT 的表達(dá)水平，為增強(qiáng)細(xì)胞對 DNA 損傷的防御能力提供了新的思路。

2.DNA 聚合酶
DNA 聚合酶，如聚合酶 -δ，具備校對活性，主要參與復(fù)制錯(cuò)誤修復(fù)。一旦檢測到錯(cuò)誤，這些聚合酶會(huì)暫停 DNA 復(fù)制進(jìn)程，反向移除子 DNA 鏈中的核苷酸，直至錯(cuò)誤核苷酸被清除，隨后重新啟動(dòng)正向復(fù)制。攜帶 Pold1 基因兩個(gè)拷貝點(diǎn)突變的小鼠，其 DNA 聚合酶 -δ 的校對活性喪失，與野生型基因或單拷貝突變小鼠相比，上皮性癌癥的發(fā)生幾率顯著升高，這充分凸顯了 DNA 聚合酶校對活性在維持基因組穩(wěn)定性方面的重要性。

3.錯(cuò)配切除修復(fù)（MMR）酶
錯(cuò)配切除修復(fù)（MMR）酶能夠糾正 DNA 聚合酶校對活動(dòng)遺漏的復(fù)制錯(cuò)誤。它們從子 DNA 中移除不正確的核苷酸，并依據(jù) W - C 配對原則，以父 DNA 鏈為模板修復(fù)子鏈。在微衛(wèi)星區(qū)域復(fù)制過程中，由于 DNA 聚合酶校對活動(dòng)難以察覺該區(qū)域產(chǎn)生的錯(cuò)誤，MMR 酶的作用就顯得尤為關(guān)鍵。此外，MMR 酶還能在一定程度上糾正由 DNA 氧化或烷基化引發(fā)的各類堿基對異常，包括含有 o6 - 甲基鳥嘌呤、8 - 氧鳥嘌呤的修飾堿基對，以及致癌物和順鉑加合物。人類錯(cuò)配切除修復(fù)基因 MSH2 和 MLH1 突變與遺傳性非息肉病性結(jié)直腸癌（HNPCC）綜合征密切相關(guān)，進(jìn)一步揭示了 MMR 酶在預(yù)防癌癥發(fā)生中的重要意義。

三、堿基切除修復(fù)與核苷酸切除修復(fù)

1.堿基切除修復(fù)（BER）
堿基切除修復(fù)（BER）主要負(fù)責(zé)切除并替換單個(gè)受損的核苷酸堿基，重點(diǎn)修復(fù)內(nèi)源性氧化和水解導(dǎo)致的堿基修飾。DNA 糖基化酶率先出擊，切斷核苷酸堿基與核糖之間的連接，形成無嘌呤或無嘧啶（AP）位點(diǎn)。例如，8-Oxoguanine DNA 糖基化酶 I （Ogg1）能夠去除活性氧產(chǎn)生的堿基突變產(chǎn)物 7,8 - 二氫 - 8-Oxoguanine （8-oxoG），人類 OGG1 基因的多態(tài)性與肺癌、前列腺癌等多種癌癥風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。尿嘧啶 DNA 糖基化酶則負(fù)責(zé)切除胞嘧啶脫氨產(chǎn)生的尿嘧啶，有效防止后續(xù)的 C→T 點(diǎn)突變。n - 甲基嘌呤 DNA 糖基化酶（MPG）能去除多種修飾的嘌呤堿基。

由 BER 酶作用產(chǎn)生的 AP 位點(diǎn)，以及脫嘧啶和脫嘌呤形成的 AP 位點(diǎn)，可在 AP - 核酸內(nèi)切酶 1 （APE1）的作用下進(jìn)一步修復(fù)。APE1 在 AP 位點(diǎn)的 5′端裂解磷酸二酯鏈，此時(shí) DNA 鏈一端為 3 ' - 羥基，另一端為 5 ' - 堿性脫氧核糖磷酸。接著，DNA 聚合酶 β （Polβ）依據(jù) W - C 配對插入正確核苷酸，并利用其相關(guān)的 ap 裂解酶活性去除脫氧核糖磷酸。x 射線修復(fù)交叉互補(bǔ)基團(tuán) 1 （XRCC1）與 DNA 連接酶 III （LIG3）形成異二聚體，作為支架蛋白，為 Polβ 提供結(jié)合位點(diǎn)，并將 Polβ 和 LIG3 酶聚集在修復(fù)位點(diǎn)。Poly（adp - 核糖）聚合酶（PARP - 1）與 XRCC1 和 Polβ 相互作用，是 BER 途徑的必要組成部分。修復(fù)的最后一步由 LIG3 完成，它將替換的核苷酸與脫氧核糖基磷酸主干連接起來，此為 “短補(bǔ)丁誤碼率” 途徑。

還有一種 “長補(bǔ)丁誤碼率” 途徑，它能替換至少 2 個(gè)核苷酸長度的核苷酸鏈，據(jù)報(bào)道修復(fù)長度可達(dá) 10 到 12 個(gè)核苷酸。長補(bǔ)丁 BER 需要增殖細(xì)胞核抗原（PCNA）作為重組酶的支架蛋白，可能還會(huì)調(diào)用其他 DNA 聚合酶（如 Polδ 和 Polε）產(chǎn)生寡核苷酸瓣，再由皮瓣內(nèi)切酶 - 1 （FEN1）去除現(xiàn)有核苷酸序列，最后由 DNA 連接酶 I （LIG1）連接寡核苷酸，完成修復(fù)。目前，關(guān)于短補(bǔ)丁與長補(bǔ)丁誤碼率路徑選擇的具體機(jī)制仍在深入研究中。

2.核苷酸切除修復(fù)（NER）
核苷酸切除修復(fù)（NER）主要修復(fù)至少包含 2 個(gè)堿基的核苷酸鏈損傷，這類損傷往往會(huì)造成 DNA 結(jié)構(gòu)扭曲。NER 既能修復(fù)單鏈斷裂，也能應(yīng)對一系列外源性損傷，如大型 DNA 加合物、紫外線輻射，甚至氧化應(yīng)激造成的損傷。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，NER 通路涉及超過 20 種蛋白質(zhì)，包括 XPA、XPC - hHR23B、復(fù)制蛋白 A （RPA）、轉(zhuǎn)錄因子 TFIIH、XPB 和 XPD DNA 解旋酶、ERCC1 - xpf 和 XPG、Polδ、Polε、PCNA 和復(fù)制因子 c 等。切除修復(fù)交叉互補(bǔ)（ERCC1）基因的過表達(dá)與非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞對順鉑的耐藥性相關(guān)，這反映了其增強(qiáng)的 DNA 修復(fù)能力。全球基因組 NER （GGR）負(fù)責(zé)修復(fù)整個(gè)基因組的損傷，而轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（TCR）作為一種特定的 NER 通路，主要在活性 RNA 聚合酶轉(zhuǎn)錄期間修復(fù)基因。

產(chǎn)品信息

參考文獻(xiàn)
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