DNA 損傷的原因分類和修復(fù)途徑

 

近期，Journal of Pineal Research 刊登了華盛頓州立大學(xué)研究人員題為 Night shift schedule causes circadian dysregulation of DNA repair genes and elevated DNA damage in humans 的文章，該研究證明，受試者暴露于打破晝夜節(jié)律性的夜班后，對內(nèi)源性和外源性 DNA 損傷的敏感性都有所提高，DNA 損傷加劇，且 DNA 修復(fù)異常，癌癥風(fēng)險升高，揭示了晝夜節(jié)律紊亂引發(fā)癌癥可能的機制。

 

 

適者生存，適應(yīng)環(huán)境是生命存在的必要條件。在哺乳動物中，光周期影響了細(xì)胞生命進程的調(diào)節(jié)，例如睡眠-覺醒、熱量攝取活動、激素分泌、血壓和免疫系統(tǒng)反應(yīng)，這種節(jié)律性的活動歸功于晝夜節(jié)律/生物時鐘 (BC) 系統(tǒng)。早前已有報道，某些 BC 關(guān)聯(lián)蛋白與衰老和癌癥的發(fā)展進程相關(guān)，特定的 BC 關(guān)聯(lián)蛋白 (如 Per1、Cry2 等) 與細(xì)胞周期/DNA 損傷反應(yīng)途徑相互作用。另外，D. Zada 等人也發(fā)現(xiàn)，睡眠有利于減少大腦中的 DNA 損傷。
 
那么 DNA 損傷和修復(fù)又是怎么一回事兒呢？DNA 損傷又是如何誘發(fā)癌癥的呢？

 

 

DNA 損傷是誘導(dǎo)衰老與疾病的機制之一，DNA 損傷因素可分為兩大類：內(nèi)源性和外源性損傷。

 

內(nèi)源性 DNA 損傷：DNA 在復(fù)制、修復(fù)或甲基化的過程中發(fā)生錯誤，以及細(xì)胞代謝產(chǎn)生 ROS、活性氮、脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物、DNA 加合物、堿基脫氨等都是導(dǎo)致 DNA 損傷的內(nèi)在因素。內(nèi)源性 DNA 損傷促進了遺傳性疾病和偶發(fā)性癌癥的發(fā)展。

 

外源性 DNA 損傷：外在的環(huán)境、物理和化學(xué)因素破壞 DNA 造成損傷。造成外源性 DNA 損傷因素包括紫外線、電離輻射、烷基化劑和交聯(lián)劑，一些微生物產(chǎn)生的天然毒素，極冷/極熱的環(huán)境壓力等。外源性 DNA 損傷在癌癥的誘發(fā)中扮演著極其重要的角色。

 

這么多因素都能造成 DNA 損傷，那我們豈不是時時刻刻處于危機之中？大可不必焦慮。我們的細(xì)胞配備了復(fù)雜而協(xié)調(diào)的 DNA 損傷反應(yīng) (DDR) 系統(tǒng)——DNA 修復(fù)，損傷耐受，細(xì)胞周期檢查點和細(xì)胞死亡途徑，共同起作用以減少 DNA 損傷的有害后果。

 

 
 
   

DNA 受損后，細(xì)胞會啟動一系列的 DNA 損傷反應(yīng)，感知和提示 DNA 損傷，發(fā)出信號并促進后續(xù)修復(fù)。DNA 損傷反應(yīng)涉及一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)感知和響應(yīng)特定類型的 DNA 損傷，包括了介導(dǎo) DNA 修復(fù)、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、復(fù)制應(yīng)激反應(yīng)和凋亡的特定機制。例如，DNA 損傷檢查點的激活導(dǎo)致細(xì)胞周期檢查點激活，使細(xì)胞周期阻滯，為細(xì)胞分裂前 DNA 修復(fù)爭取必要的時間；DNA 損傷反應(yīng)與凋亡緊密關(guān)聯(lián)，以清除 DNA 未修復(fù)損傷的細(xì)胞。

 

DNA 損傷可以是 DNA 堿基的化學(xué)添加或破壞 (產(chǎn)生異常的核苷酸或核苷酸片段)，也可能是 DNA 單鏈斷裂 (SSB) 和雙鏈斷裂 (DSB) 。目前已經(jīng)鑒定出至少 5 種 DNA 修復(fù)途徑：同源重組修復(fù) (HR)、非同源性末端接合修復(fù) (NHEJ)、堿基切除修復(fù) (BER)、核苷酸切除修復(fù) (NER)、錯配修復(fù) (MMR)。

 

 
   

無論是 DNA 堿基異常還是 DNA 單/雙鏈斷裂形式的 DNA 損傷，都可能產(chǎn)生能夠在細(xì)胞中連續(xù)世代傳遞的突變，促進惡性增生，誘發(fā)癌癥。但如果精確的 DNA 修復(fù)系統(tǒng)能識別 DNA 損傷并在復(fù)制前將其修復(fù)，則可以避免這種突變。另外，DNA 損傷修復(fù)途徑被破壞，如參與修復(fù)途徑的蛋白功能異常也會使損傷累積，最終誘發(fā)癌癥。

 

DNA 損傷既發(fā)生在復(fù)制性增生細(xì)胞 (如形成結(jié)腸內(nèi)壁的細(xì)胞或形成血液的造血細(xì)胞) 中，也發(fā)生在分化的非分裂性細(xì)胞 (例如，大腦中的神經(jīng)元或肌肉中的肌細(xì)胞) 中。如果由于 DNA 修復(fù)基因表達不足而無法修復(fù)增殖細(xì)胞中的 DNA 損傷，則會增加患癌的風(fēng)險。當(dāng) DNA 損傷發(fā)生在非增殖細(xì)胞中，并且由于 DNA 修復(fù)基因表達不足而無法修復(fù)時，損傷會積累并導(dǎo)致過早衰老。

 

因此，當(dāng)發(fā)生 DNA 損傷時，正確修復(fù) DNA 是阻止細(xì)胞惡性增殖并發(fā)展為癌癥的關(guān)鍵保護過程。

 

 

 
   
許多癌癥中，DNA 損傷反應(yīng)途徑被破壞或發(fā)生失調(diào)，促使癌癥的發(fā)生和發(fā)展。例如“乳腺癌易感蛋白” BRCA2 參與同源重組修復(fù)，BRCA1/2 功能缺失的細(xì)胞無法進行同源重組修復(fù)，并表現(xiàn)出染色體高度不穩(wěn)定，以及對能導(dǎo)致 DSB 的電離輻射和化學(xué)治療劑的敏感性增加，癌癥發(fā)生風(fēng)險增加。
 

圖 3. 部分 DNA 損傷反應(yīng)通路靶標(biāo)^[9]

 
DNA 損傷修復(fù)途徑的失調(diào)對癌癥的發(fā)生和發(fā)展有促進作用，而聰明的研究人員又反過來利用了癌細(xì)胞 DNA 損傷修復(fù)途徑的失調(diào)，殺死癌細(xì)胞。
 
以靶向 PARP 蛋白為例，PARP 家族在許多 DNA 修復(fù)途徑中起作用，如檢測 SSB，參與堿基切除修復(fù)，與非同源性末端接合修復(fù)蛋白 (如 Ku) 相互作用促進修復(fù)過程 (如圖 3)。HR 缺陷的腫瘤細(xì)胞高度依賴 PARP 介導(dǎo)的 DNA 修復(fù)，靶向 PARP 成為治療有 HR 缺陷特征的癌癥的重要手段之一。
 
上面提到，BRCA1/2 突變的細(xì)胞無法進行 HR，如果通過 PARP 抑制劑，如瑞卡帕布 (Rucaparib) 治療，阻斷堿基切除修復(fù)過程，DNA 單鏈斷裂會在 DNA 復(fù)制時轉(zhuǎn)變?yōu)殡p鏈斷裂，此時，正常細(xì)胞可以通過 HR 修復(fù)損傷，而 BRCA1/2 突變的癌細(xì)胞無法經(jīng)過 HR 修復(fù)細(xì)胞，最終走向死亡。

 

 
作為 DNA 損傷應(yīng)答的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的 ATM，同樣是科研人員重點關(guān)注的對象。ATM  的激活阻滯了細(xì)胞周期進程，并通過磷酸化多種底物來啟動 DNA 修復(fù)。另一方面，如果 DNA 損傷無法修復(fù)，細(xì)胞將走向凋亡，以維持機體正常的生命進程。ATM 抑制劑如 AZD0156、AZ32 也具有抗腫瘤活性。
 
總結(jié)：

DNA 損傷能誘導(dǎo)衰老和多種疾病 (如神經(jīng)退行性疾病、癌癥)，打破晝夜節(jié)律會使 DNA 損傷增加，并且導(dǎo)致修復(fù)的異常，保持良好的睡眠尤為重要。

 

針對 DNA 損傷應(yīng)答途徑的抑制劑也正在如火如荼地開發(fā)，如 PARP 抑制劑、ATM 抑制劑，DNA 損傷機制進一步的探索和相關(guān)靶向藥物的開發(fā)都值得期待。

 

相關(guān)產(chǎn)品

細(xì)胞周期/DNA 損傷化合物庫 MCE 收錄 1000+ 個細(xì)胞周期調(diào)控及 DNA 損傷及修復(fù)相關(guān)的化合物，可以用于細(xì)胞周期調(diào)控、DNA 損傷及修復(fù)相關(guān)的研究。

Rucaparib 具有口服活性的、有效的 PARP 抑制劑，對 PARP1 的 Ki 值為 1.4 nM，對其他八種 PARP 結(jié)構(gòu)域也有親和性。

PJ34 特異性 PARPl/2 抑制劑，IC50 分別為 110 nM 和 86 nM。

Iniparib 不可逆的 PARP1 抑制劑，可用于三陰性乳腺癌的研究。

AZD-2461 有效的 PARP 抑制劑，可抑制 PARP1，PARP2 和 PARP3 的活性，IC50 值分別為 5 nM，2 nM 和 200 nM。

AZ32 具有口服活性的，可穿透血腦屏障的 ATM 抑制劑，IC50 < 6.2 nM。在細(xì)胞中抑制 ATM，IC50 為 0.31 μM。

CP-466722 可逆的 ATM 抑制劑，IC50 值為 4.1 μM，對 PI3K，PIKKs 家族其他蛋白沒有作用。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)

 

縮寫：
DDR: DNA damage response
SSB: Single-strand breaks
DSB: Double-strand breaks
HR: Homologous recombination
NHEJ: Non-homologous end joining
BER: Base excision repair
NER: Nucleotide excision repair
MMR: Mismatch repair
PARP: Poly (ADP-ribose) polymerase
ATM: Ataxia-telangiectasia mutated proteins

 

參考文獻 

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1. Bala S C Koritala, et al. Night shift schedule causes circadian dysregulation of DNA repair genes and elevated DNA damage in humans. J Pineal Res. 2021 Feb 27;e12726.
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