DNA 損傷的原因分類和修復途徑

 

近期，Journal of Pineal Research 刊登了華盛頓州立大學研究人員題為 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 修復異常，癌癥風險升高，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，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 關聯(lián)蛋白與衰老和癌癥的發(fā)展進程相關，特定的 BC 關聯(lián)蛋白 (如 Per1、Cry2 等) 與細胞周期/DNA 損傷反應途徑相互作用。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 在復制、修復或甲基化的過程中發(fā)生錯誤，以及細胞代謝產(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。我們的細胞配備了復雜而協(xié)調(diào)的 DNA 損傷反應 (DDR) 系統(tǒng)——DNA 修復，損傷耐受，細胞周期檢查點和細胞死亡途徑，共同起作用以減少 DNA 損傷的有害后果。

 

 
 
   

DNA 受損后，細胞會啟動一系列的 DNA 損傷反應，感知和提示 DNA 損傷，發(fā)出信號并促進后續(xù)修復。DNA 損傷反應涉及一個復雜的網(wǎng)絡，負責感知和響應特定類型的 DNA 損傷，包括了介導 DNA 修復、細胞周期調(diào)節(jié)、復制應激反應和凋亡的特定機制。例如，DNA 損傷檢查點的激活導致細胞周期檢查點激活，使細胞周期阻滯，為細胞分裂前 DNA 修復爭取必要的時間；DNA 損傷反應與凋亡緊密關聯(lián)，以清除 DNA 未修復損傷的細胞。

 

DNA 損傷可以是 DNA 堿基的化學添加或破壞 (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 修復途徑：同源重組修復 (HR)、非同源性末端接合修復 (NHEJ)、堿基切除修復 (BER)、核苷酸切除修復 (NER)、錯配修復 (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 修復系統(tǒng)能識別 DNA 損傷并在復制前將其修復，則可以避免這種突變。另外，DNA 損傷修復途徑被破壞，如參與修復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)生在復制性增生細胞 (如形成結(jié)腸內(nèi)壁的細胞或形成血液的造血細胞) 中，也發(fā)生在分化的非分裂性細胞 (例如，大腦中的神經(jīng)元或肌肉中的肌細胞) 中。如果由于 DNA 修復基因表達不足而無法修復增殖細胞中的 DNA 損傷，則會增加患癌的風險。當 DNA 損傷發(fā)生在非增殖細胞中，并且由于 DNA 修復基因表達不足而無法修復時，損傷會積累并導致過早衰老。

 

因此，當發(fā)生 DNA 損傷時，正確修復 DNA 是阻止細胞惡性增殖并發(fā)展為癌癥的關鍵保護過程。

 

 

 
   
許多癌癥中，DNA 損傷反應途徑被破壞或發(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，BRCA1/2 功能缺失的細胞無法進行同源重組修復，并表現(xiàn)出染色體高度不穩(wěn)定，以及對能導致 DSB 的電離輻射和化學治療劑的敏感性增加，癌癥發(fā)生風險增加。
 

圖 3. 部分 DNA 損傷反應通路靶標^[9]

 
DNA 損傷修復途徑的失調(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胞 DNA 損傷修復途徑的失調(diào)，殺死癌細胞。
 
以靶向 PARP 蛋白為例，PARP 家族在許多 DNA 修復途徑中起作用，如檢測 SSB，參與堿基切除修復，與非同源性末端接合修復蛋白 (如 Ku) 相互作用促進修復過程 (如圖 3)。HR 缺陷的腫瘤細胞高度依賴 PARP 介導的 DNA 修復，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，阻斷堿基切除修復過程，DNA 單鏈斷裂會在 DNA 復制時轉(zhuǎn)變?yōu)殡p鏈斷裂，此時，正常細胞可以通過 HR 修復損傷，而 BRCA1/2 突變的癌細胞無法經(jīng)過 HR 修復細胞，最終走向死亡。

 

 
作為 DNA 損傷應答的關鍵調(diào)節(jié)因子的 ATM，同樣是科研人員重點關注的對象。ATM  的激活阻滯了細胞周期進程，并通過磷酸化多種底物來啟動 DNA 修復。另一方面，如果 DNA 損傷無法修復，細胞將走向凋亡，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，并且導致修復的異常，保持良好的睡眠尤為重要。

 

針對 DNA 損傷應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靶向藥物的開發(fā)都值得期待。

 

相關產(chǎn)品

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

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

 

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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3. Zada, D. et al. Sleep increases chromosome dynamics to enable reduction of accumulating DNA damage in single neurons. Nat Commun. 2019 Mar 5;10(1):895.
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