DNA损伤与修复

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DNA损伤与修复：

1. DNA损伤的原因
2. DNA损伤的类型、修复方式及其病理生理学相关性
3. DNA损伤应答与多种疾病

DNA损伤的原因

（一）DNA在生物体内的自发损伤

• 碱基的自发突变
• DNA聚合酶介导的碱基错配
• 细胞内代谢物导致的DNA损伤

（二）环境因素诱导的DNA损伤

• 物理因素——电离辐射，紫外线
• 化学因素——环境因素
• 生物因素

碱基的自发突变

• DNA在体外的自发损伤速率：Given are the numbers of altered nucleotides in a 3x109 bp genome of double stranded DNA after 24h at 37°C.

DNA聚合酶介导的碱基错配

• 即便具备3’-5’外切酶活性，最终错配率仍在10-9-10-10左右
• 镁离子浓度不足，错配率更高
• 不具有3’-5’外切酶活性的DNA聚合酶导致的错配更多

物理因素 —— 电离辐射，紫外线

• 电离辐射致DNA损伤（DNA双链断裂）
• 紫外线辐射致DNA损伤

化学因素——环境因素

• 自由基导致DNA损伤
• 碱基类似物导致DNA损伤
• 碱基修饰剂、烷化剂导致DNA损伤
• 嵌入性染料导致DNA损伤

生物因素

• 生物因素主要来源于一些潜在的致瘤病原微生物，包括幽门螺旋杆菌；多种DNA病毒，如乙型肝炎病毒、人类乳头瘤病毒、EB病毒等
• 感染引起的DNA损伤的一个主要原因是组织慢性炎症导致氧化物过度释放

DNA损伤的类型及对应修复方式

DNA链内交联（intrastrand crosslink）

经受UV照射的大肠杆菌可以有两种修复方式：

1. 光修复：经受UV照射的大肠杆菌在可见光作用下可以“复活”
   • 嘧啶二聚体的形成与光修复
2. 核苷酸切除修复：在无可见光情况下，大肠杆菌可进行葡萄糖依赖的嘧啶二聚体清除
   • 细菌中嘧啶二聚体的核苷酸切除修复

- XPA-XPG 等7个XP家族基因
- XPA和XPC：识别损伤位点，XPE参与特定类型嘧啶二聚体的识别与结合（细菌：UvrA）
- XPB和XPD：解旋酶功能，是TFIIH复合物的一部分（细菌： UvrD），原核先切再解旋，真核先解旋再切。
- TFIIH由7个蛋白组成的复合物，可以将其他成分理解为辅助亚基
- XPF和XPG：核酸酶活性切掉损伤侧的DNA单链（细菌：UvrC）
- RPA是哺乳动物细胞的单链DNA结合蛋白（细菌： UvrB）
- 平时参与DNA复制合成的Pol ε或δ可以填补空缺

碱基损伤及糖基破坏与碱基切除修复

Base excision repair, BER

碱基切除修复的步骤

1. 每种糖苷酶（glycosylase）只能识别单个碱基的脱氨基或烷基化，水解糖苷键，目前已鉴定出人类的11种糖苷酶，大肠杆菌的8种糖苷酶。
2. AP核酸内切酶将剩余的磷酸核糖切除。
3. DNA聚合酶与连接酶合成缺口并补齐。

碱基错配修复

mismatch repair, MMR

• 与BER发生时间不同：
  • DNA复制时——碱基错配修复；
  • 非DNA复制时——碱基切除修复
• 碱基错配修复方式都是在子链上进行切割

碱基错配修复：双螺旋外插入/删失环

• 能够识别子链上的插入环或者母链上的删失环，
• 都是在子链上进行切割，细菌上是通过A上的甲基化识别母链

碱基错配修复——大肠杆菌

碱基错配修复——人体内

DNA双链断裂

• 光修复、NER、BER和MMR适用DNA双链中的一条链发生损伤，而另一条链则完全完整
• DNA双链断裂不能用以上任何一种方式进行修复
• 生物体发生双链断裂等严重损伤之后，会启动DNA损伤应答这道最后防线。
  • DNA损伤应答，包括对损伤信号的检查与信号转导、细胞周期抑制、复制叉稳定性维持、转录及翻译调控、DNA修复、
  • 直至DNA损伤被重新修复，或积累过多DNA损伤的细胞发生衰老或凋亡

SOS修复-原核生物DNA损伤应答系统

• 这是一种常见于过去教科书的表述，但SOS其实并不是一种修复方式，而是一套DNA损伤反应系统。
• SOS修复系统是大肠杆菌遇到严重DNA损伤后所激活的DNA损伤反应系统
• 其核心是大肠杆菌重组酶RecA和转录抑制蛋白LexA，RecA与LexA结合后，引发LexA自水解，其转录抑制效应被解除。
• 常被提及的LexA相关反应蛋白包括RecA（同源重组修复相关）、 DNA聚合酶IV（跨损伤合成相关）和DNA聚合酶V （跨损伤合成相关）等。

真核生物-DNA损伤检查点

• 激活DNA损伤检查点，抑制细胞周期，避免将错误或损伤的遗传信息传递到子代细胞，是DNA损伤应答的首要步骤
• 细胞存在S期、G1/S以及G2/M3个主要的DNA损伤检查点
• 在哺乳动物中，DNA损伤检查点的激活主要由激酶ATM和ATR介导
  • ATM：共济失调毛细血管扩张突变基因（ataxia telangiectasia-mutated gene），ATM磷酸化p53、CHK2、MDC1、BRCA1和53BP1等众多细胞周期阻滞蛋白及DNA损伤修复效应蛋白
  • ATR：共济失调毛细血管扩张及Rad3相关（ATM- and Rad3-related）基因，ATR主要通过磷酸化CHK1介导S期检验点和G2/M检验点的激活，为DNA损伤修复争取足够的时间

DNA双链断裂相关修复

• 大肠杆菌：同源重组、跨损伤合成
• 人体内：同源重组、跨损伤合成、非同源末端连接

同源重组（homologous recombination,HR）

• 末端切除（resection），形成3’悬挂单链DNA（ssDNA）末端；
• 重组酶（recombinase）包被3’悬挂ssDNA末端，形成重组酶-ssDNA细丝（filament）；
• 重组酶-ssDNA细丝寻找与这段ssDNA序列完全互补的对侧DNA分子，并侵入形成D环结构（D-loop）；
• 利用完全互补的对侧DNA为模板，启动DNA合成，完成修复过程。
• 在真核生物中一般发生在S/G2期。（要求两条DNA距离近、时间限制）

非同源末端连接（non-homologous end joining，NHEJ）

• 步骤：
  1. Ku70/80蛋白加载到双链断裂DNA的两个末端；
  2. Ku70/80蛋白招募DNA-PKcs蛋白，DNA-PKcs通过结合两个断裂末端，把两个断裂末端的距离拉近；
  3. 继续招募NHEJ相关的下游共作用因子，包括LIG4、XRCC4、Artemis、PAXX和XLF等蛋白，实现两个断裂末端的连接。连接部分可能会有碱基缺失或者错误。
• 真核细胞特有的DNA双链断裂修复方式
• 完成V(D)J基因重排 & 免疫球蛋白重链类别转换重组
• G1期：NHEJ：HR = 50+ ：1
• S/G2（复制的两个拷贝足够近）：NHEJ：HR ≈ 1：4
• 在S/G2期BRCA1可以拮抗53BP1的功能，促进末端切除，抑制NHEJ的发生

跨损伤合成（translesion synthesis，TLS）

• 特指一类忽略DNA损伤部位强行进行DNA合成的过程，其核心是非保真polymerase（TLSpolymerse）的参与，修复过程甚至引入更多碱基错配
• TLS还可以发生在除了双链断裂修复以外的其他修复场景中，如NER和DNA链间交联修复
• 大肠杆菌中，TLS相关DNA聚合酶通常是DNA聚合酶IV或V，而在真核细胞中则通常是Pol ζ

DNA链间交联

DNA双链间连接紧密（链间交联），解旋酶无法推进

• 范可尼贫血患者的外周淋巴细胞对DNA交联剂敏感
• 范可尼贫血：常染色体隐性遗传病，其主要表现为再生障碍性贫血，另外还表现出生育能力弱、先天性畸形以及造血系统癌症和鳞状细胞癌的易感性
• 已知有22个范可尼贫血的致病突变基因，主要致病基因包括有FANCA（65%）、FANCC（15%）和FANCG（10%），其他致病基因还包括HR相 关基因BRCA1、BRCA2（FANCD1）、PALB2（FANCN）和RAD51等
• 范可尼贫血是由于DNA链间交联无法在S期被修复导致的，这一修复过程非常复杂，至今还没有被完全阐明

DNA损伤应答与多种疾病