DNA 損傷修復(fù)與癌癥

回天鶴

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué)朝陽學(xué)校，北京 100028）

內(nèi)源的化學(xué)物質(zhì)以及外源的環(huán)境因子持續(xù)威脅著細(xì)胞遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生各種各樣的DNA損傷。有統(tǒng)計表明，人類單個細(xì)胞每天大約會發(fā)生60，000個DNA損傷事件，他們可能來自于紫外線、電離輻射、植物毒素、有毒試劑以及活性氧自由基等細(xì)胞內(nèi)外物理化學(xué)因素的影響。這些損傷如果不被及時修復(fù)，很可能會干擾細(xì)胞發(fā)揮正常的功能，例如腫瘤抑制因子等關(guān)鍵基因發(fā)生損傷會大大增加細(xì)胞癌變的可能性。所幸的是，生物細(xì)胞進(jìn)化出了多樣化的DNA損傷修復(fù)途徑來清除這些損傷。本文將整合近年來DNA損傷修復(fù)領(lǐng)域的研究成果，簡要介紹DNA損傷修復(fù)的基本途徑并探討其與癌癥發(fā)生的內(nèi)在聯(lián)系，舉例剖析常用抗癌藥物在細(xì)胞內(nèi)的作用機(jī)理，最后展望DNA損傷修復(fù)與癌癥治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

1 DNA損傷的直接逆轉(zhuǎn)

細(xì)胞受紫外線B的照射其DNA會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)使相鄰嘧啶堿基生成不可逆的化學(xué)交聯(lián)，即嘧啶二聚體。嘧啶二聚體會改變DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，抑制DNA聚合酶并阻止細(xì)胞DNA的正常復(fù)制。細(xì)菌內(nèi)有一類光裂解酶，他們能夠在可見光甚至高壓氧的誘導(dǎo)下直接與損傷位點(diǎn)結(jié)合，切斷化學(xué)交聯(lián)產(chǎn)生的共價鍵，逆轉(zhuǎn)損傷并恢復(fù)原先的正常堿基。除此之外，人的細(xì)胞內(nèi)存在一類被稱為甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶（MGMT）的蛋白，他們可以特異性地直接修復(fù)DNA受到烷基化試劑進(jìn)攻產(chǎn)生的氧-6-甲基鳥嘌呤損傷。值得一提的是，MGMT的功能異常與多種癌癥的發(fā)生有密切的聯(lián)系，目前已知有44%到59%的惡性膠質(zhì)瘤與該基因啟動子區(qū)域的高甲基化有關(guān)，另外還有超過40%的結(jié)直腸癌患者檢測到了該基因的缺陷[1]。

2 單鏈DNA損傷的修復(fù)

2.1 堿基切除修復(fù)途徑

堿基切除修復(fù)（BER）主要負(fù)責(zé)清除細(xì)胞內(nèi)的氧化性DNA堿基損傷，例如8-氧鳥嘌呤（8-oxoG）以及胞嘧啶脫氨產(chǎn)物尿嘧啶。BER中最關(guān)鍵的一步是由DNA糖基化酶來完成，他們夠特異性識別一種或者一類DNA損傷并切除損傷堿基產(chǎn)生脫堿基位點(diǎn)，脫堿基位點(diǎn)由下游的修復(fù)蛋白包括核酸內(nèi)切酶、DNA聚合酶以及連接酶通過合作經(jīng)多步反應(yīng)清除，最終產(chǎn)生正常的DNA。8-氧鳥嘌呤是比較有代表性的一種氧化性DNA損傷，它的含量大約能夠占到靜止?fàn)顟B(tài)下細(xì)胞內(nèi)所有氧化性DNA損傷的5%。8-氧鳥嘌呤在DNA復(fù)制時會干擾正常的沃森-克里克堿基配對，產(chǎn)生G：C到T：A的堿基突變。這一損傷在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)主要由8-氧鳥嘌呤糖基化酶（hOGG1）負(fù)責(zé)清除，細(xì)菌內(nèi)也有對應(yīng)的同源蛋白稱為MutM。有實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示，hOGG1缺陷會大大增加細(xì)胞內(nèi)8-氧鳥嘌呤的含量。更重要的是，包括食管癌、星形細(xì)胞瘤以及胃癌在內(nèi)的多種癌癥均發(fā)現(xiàn)了hOGG1基因表達(dá)的下調(diào)，預(yù)示著該基因在清除細(xì)胞內(nèi)8-氧鳥嘌呤損傷中發(fā)揮著不可替代的作用。

2.2 核苷酸切除修復(fù)途徑

核苷酸切除修復(fù)途徑（NER）主要清除體積大且能使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)扭曲的損傷，比如紫外線照射產(chǎn)生的嘧啶二聚體。NER的特點(diǎn)是在損傷位點(diǎn)被特異性識別之后，其上下游大約12至24個核苷酸會被內(nèi)切酶切除，之后再重新合成正確的新鏈。NER途徑主要由一類被稱為XP家族的蛋白負(fù)責(zé)完成，其中XPA與XPB在損傷識別中起重要作用，XPG有核酸酶活性，主要負(fù)責(zé)切割損傷的DNA鏈。此外，NER途徑也與癌癥發(fā)生息息相關(guān)，NER途徑異常的著色性干皮病患者比正常人患皮膚癌的概率要高出1000倍；此外XPD的多態(tài)性也被報道與非小細(xì)胞肺癌的發(fā)病幾率聯(lián)系密切。

2.3 錯配修復(fù)途徑

錯配修復(fù)（MMR）在細(xì)胞內(nèi)扮演著錯誤校正的角色，主要修復(fù)DNA合成后產(chǎn)生的錯誤堿基配對，如G/T或者A/C配對。MMR途徑高度保守，從原核生物到真核生物的細(xì)胞內(nèi)均有分布。MMR途徑的功能異常已被報道和多種癌癥相關(guān)，例如星形細(xì)胞瘤患者中MLH1和MLH3表達(dá)量出現(xiàn)了明顯下調(diào)。此外，超過10%的結(jié)直腸癌以及大約70%的非小細(xì)胞肺癌患者均表現(xiàn)出MLH1基因的缺陷。

3 雙鏈DNA損傷的修復(fù)

雙鏈DNA損傷修復(fù)途徑主要包括同源重組（HR）和非同源末端接合（NHEJ）兩類。同源重組主要依靠同源染色體來指導(dǎo)損傷DNA的校正，而非同源末端接合則直接將斷開的兩條DNA鏈連接到一起來實(shí)現(xiàn)修復(fù)目的。同源重組中的關(guān)鍵蛋白BRCA1和BRCA2是兩個重要的抑癌因子，當(dāng)這兩個蛋白缺失時，細(xì)胞內(nèi)同源重組的速率會大大降低且會增加細(xì)胞對電離輻射的敏感性，最終導(dǎo)致乳腺癌以及卵巢癌的發(fā)病幾率升高[2]。另一方面，非同源末端接合這一修復(fù)途徑的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也尤為重要，相關(guān)基因的缺陷會導(dǎo)致毛細(xì)血管擴(kuò)張性運(yùn)動失調(diào)以及范可尼貧血等疾病。

4 常用抗腫瘤藥物的作用機(jī)理

順鉑（Cis-platin）是目前廣泛使用的治療實(shí)體瘤最有效的抗癌藥物之一。它的作用機(jī)制就是深入細(xì)胞內(nèi)與DNA分子中的鳥嘌呤N7位形成共價交聯(lián)，產(chǎn)生雙鏈內(nèi)以及雙鏈之間的GG與AG交聯(lián)損傷，從而干擾細(xì)胞的DNA復(fù)制以及轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的核苷酸切除修復(fù)途徑[3]。與之作用機(jī)理類似的還有曲貝替定（Yondelis），它是與鳥嘌呤N2位形成共價交聯(lián)，并產(chǎn)生DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的扭曲，該藥主要作用于軟組織瘤，能明顯延長患者壽命。此外，氟尿苷（Floxuridine）作為抗代謝物也是常用的抗腫瘤藥物，它能夠特異性結(jié)合并抑制胸苷酸合成酶活性，使得細(xì)胞內(nèi)尿苷三磷酸含量升高，從而更多的尿嘧啶摻入到基因組DNA內(nèi)，最終使DNA分子上的產(chǎn)生大量的堿基突變并引起細(xì)胞死亡。氟尿苷主要作用于結(jié)直腸癌，也可用于部分腎癌以及胃癌患者。

5 討論與展望

DNA損傷修復(fù)途徑維持著細(xì)胞遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定，其功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對于細(xì)胞來說至關(guān)重要。目前來看，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)一種或多種修復(fù)途徑缺陷時，往往會增加細(xì)胞發(fā)生癌變的風(fēng)險。對于DNA損傷修復(fù)這一方向，包括新蛋白的鑒定以及結(jié)構(gòu)功能解析、修復(fù)途徑的完善等依然是未來生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。此外，依托于基礎(chǔ)理論的建立，未來新的作用靶點(diǎn)鑒定以及特異性抗癌藥物的開發(fā)也將是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要方向。

[1] 孫敬芬,周平坤,吳德昌.DNA修復(fù)與人類疾病研究進(jìn)展[J].癌變畸變 突變,2002,14(4)∶261-265.

[2] 乜全民,毛 青,邱永明,林盈盈.DNA損傷修復(fù)與膠質(zhì)瘤的放、化療抵抗[J].中華神經(jīng)外科疾病研究雜志,2014,13(4)∶376-378.

[3] 林 莉,劉曉晴,宋三泰.DNA損傷修復(fù)與鉑類耐藥研究進(jìn)展[J].中國腫瘤,2006,15(1)∶29-31.