DNA損傷與修復(fù)在食管癌中的研究進(jìn)展

許海軍，阮豪杰，陳 攀，李孟祥，高社干

多種DNA損傷因素能夠引起遺傳物質(zhì)DNA的損傷，這些因素包括：外部環(huán)境中的化學(xué)致癌物，機(jī)體細(xì)胞和腸道微生物代謝所產(chǎn)生的內(nèi)源性化學(xué)致癌物，活化的免疫細(xì)胞(如單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)產(chǎn)生的自由基，紫外線(ultraviolet,UV)和電離輻射，以及許多藥物等[1-6]。DNA損傷修復(fù)不全引起的基因突變和染色體損傷，是癌性轉(zhuǎn)化和腫瘤進(jìn)展的重要因素[7]。為了維持基因組的穩(wěn)定性，細(xì)胞具有DNA損傷反應(yīng)途徑和DNA修復(fù)系統(tǒng)，以修復(fù)或清除DNA損傷[8]。未能修復(fù)的損傷具有細(xì)胞毒性，能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、壞死[9]，而DNA修復(fù)的異常會(huì)引起癌癥[10]。DNA損傷引起的細(xì)胞死亡是一個(gè)主動(dòng)調(diào)控的生物學(xué)過程，多種分子參與的復(fù)雜分子網(wǎng)絡(luò)決定了細(xì)胞是生存或死亡[11]。闡明DNA修復(fù)與細(xì)胞死亡的關(guān)系及其分子調(diào)控機(jī)制，對(duì)提高腫瘤化療效果有重大意義。

食管癌(esophageal cancer,EC)是消化道最常見的惡性腫瘤之一，主要包括兩種組織學(xué)類型，即：食管鱗狀細(xì)胞癌(esophageal squamous cell cancer,ESCC)和食管腺癌(esophageal adenocarcinoma,EAC)。ESCC是目前全球最常見的組織學(xué)亞型[12-13]。盡管在食管癌的診斷方面取得了進(jìn)展，但多數(shù)患者在發(fā)現(xiàn)時(shí)已處于晚期，導(dǎo)致整體存活率低。因此，闡明食管癌發(fā)生、發(fā)展的分子機(jī)制，鑒定分子標(biāo)記物是相當(dāng)重要的臨床問題。鑒于DNA損傷與修復(fù)與食管癌發(fā)生發(fā)展的密切關(guān)系，本文綜述DNA損傷與修復(fù)在食管癌發(fā)生、發(fā)展中的可能作用及其機(jī)制，供相關(guān)領(lǐng)域研究參考。

1 DNA損傷與修復(fù)反應(yīng)

生物體的遺傳信息儲(chǔ)存于DNA分子的堿基序列中。為應(yīng)對(duì)體內(nèi)外因素引起的DNA損傷，生物長(zhǎng)期進(jìn)化形成了各種DNA損傷修復(fù)機(jī)制。在人類基因組的3×109個(gè)堿基中，每個(gè)細(xì)胞每天有高達(dá)25 000個(gè)堿基通過正常的細(xì)胞過程(例如代謝和DNA復(fù)制)或在外部因素(例如紫外線)等的作用下被改變。香煙煙霧中的電離輻射、環(huán)境致癌物和化學(xué)物質(zhì)等，都可以引起DNA損傷[14]。機(jī)體通過修復(fù)這些損傷以避免基因突變、染色體斷裂和復(fù)制受阻。無法修復(fù)的DNA損傷或在修復(fù)中出錯(cuò)，會(huì)誘發(fā)基因組不穩(wěn)定和遺傳畸變、癌變，同時(shí)也會(huì)通過細(xì)胞凋亡和遺傳損傷的積累，促進(jìn)衰老[15]。 因此，對(duì)于有機(jī)體而言，進(jìn)行無錯(cuò)修復(fù)以在上述兩個(gè)極端之間取得平衡才是最有利的。

細(xì)胞內(nèi)DNA損傷修復(fù)的類型取決于DNA損傷的性質(zhì)。檢測(cè)和修復(fù)DNA損傷還取決于細(xì)胞在細(xì)胞周期[16]中的位置，以及損傷區(qū)域基因的轉(zhuǎn)錄活躍程度[17]。此外，DNA甲基化程度和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)也影響DNA修復(fù)。如果DNA損傷嚴(yán)重，無論細(xì)胞處于哪個(gè)細(xì)胞周期，都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯和凋亡[17]。

由DNA損傷觸發(fā)修復(fù)機(jī)制的調(diào)控，引起細(xì)胞內(nèi)的一系列相關(guān)反應(yīng)稱為DNA損傷反應(yīng)(DNA damage response,DDR)。DNA損傷的修復(fù)途徑有4種類型：對(duì)DNA堿基和單鏈斷裂(single-strand break,SSB)氧化損傷的堿基切除修復(fù)(base excision repair,BER)、去除大量加合物的核苷酸切除修復(fù)(nucleotide excision repair,NER)、DNA發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)的錯(cuò)配修復(fù)(mismatch repair,MMR)以及雙鏈斷裂修復(fù)(double-strand break repair,DSBR),DSBR又包括兩種機(jī)制：非同源末端連接(non-homologous end joining,NHEJ)和同源重組(homologous recombination,HR)，NHEJ直接連接斷端而不需要模板，而HR使用完整的姐妹染色單體作為修復(fù)模板，根據(jù)細(xì)胞類型、環(huán)境和DNA損傷的性質(zhì)，這兩種DSBR修復(fù)機(jī)制可能會(huì)聯(lián)合[18-19]。BER、NER、MMR和HR是無錯(cuò)誤的DDR形式，它們通常產(chǎn)生天然DNA，而NHEJ是一種容易出錯(cuò)或有缺陷的修復(fù)途徑，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致DNA序列改變。

2 DNA損傷與修復(fù)相關(guān)癌突變信號(hào)

2.1 與年齡相關(guān)信號(hào)

癌基因組中與年齡相關(guān)的標(biāo)志性突變可能在腫瘤生命周期的任何時(shí)候發(fā)生。在大多數(shù)癌癥類型中都能觀察到與年齡相關(guān)的突變特征[20]。這種突變過程的特征是CpG二核苷酸基序內(nèi)的C > T轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變與甲基化胞嘧啶的自發(fā)脫氨反應(yīng)相對(duì)應(yīng)[20]。

2.2 DNA修復(fù)途徑缺陷相關(guān)信號(hào)

失活突變的MMR基因或與HR雙鏈斷裂修復(fù)途徑相關(guān)的基因，與癌癥的形成和耐藥有關(guān)。以CpG位點(diǎn)的C>T轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鞯腗MR缺陷與核苷酸重復(fù)序列上的替代或缺失有關(guān)。這些類型的不穩(wěn)定性，也稱為“微衛(wèi)星不穩(wěn)定性”，在結(jié)直腸癌、子宮癌、肝癌、腎癌、前列腺癌、食道癌和胰腺癌中都可以觀察到[20]。

2.3 APOBEC相關(guān)信號(hào)

載脂蛋白BmRNA編輯酶催化多肽(apolioprotein B mRNA-editing enzyme catalytic polypeptide,APOBEC)家族是一類高效的胞苷脫氨酶,其轉(zhuǎn)錄過程可被促炎癥細(xì)胞因子和趨化因子激活,并在人體的固有和獲得性免疫機(jī)制中發(fā)揮重要作用。APOBEC酶最初被確定為在抗病毒先天免疫中發(fā)揮作用，由于其使DNA脫去氨基、誘導(dǎo)堿基轉(zhuǎn)換的能力，最近被證明參與癌癥的突變負(fù)荷和克隆進(jìn)化[21]。APOBEC酶是將胞苷轉(zhuǎn)化為尿嘧啶的胞苷脫氨基酶家族的一部分，C到T的轉(zhuǎn)化和C到G的轉(zhuǎn)化也是APOBEC酶活性的常見突變結(jié)果。APOBEC相關(guān)信號(hào)是在癌癥中觀察到的第二種最常見的突變信號(hào)。

2.4 吸煙相關(guān)信號(hào)

生活方式因素，如飲食、飲酒、抽煙和缺乏鍛煉，都與癌癥風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。吸煙是世界范圍內(nèi)導(dǎo)致癌癥的重要原因，有證據(jù)表明，吸煙與20種不同類別的癌癥有關(guān)[22]。香煙煙霧可直接誘導(dǎo)不同類型的DNA損傷，這些損傷可通過NER、HR、NHEJ和BER修復(fù)。雖然吸煙的特征主要是C>A轉(zhuǎn)換，這與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的NER去除大量的DNA加合物有關(guān)，但煙草誘導(dǎo)的DNA損傷的多方面性質(zhì)表明，可能會(huì)出現(xiàn)其他與煙草相關(guān)的突變類型。

2.5 紫外線相關(guān)信號(hào)

與紫外線暴露相關(guān)的突變特征主要見于黑色素瘤，這種突變特征主要對(duì)應(yīng)于未轉(zhuǎn)錄DNA鏈上的C >T轉(zhuǎn)換，與紫外線照射誘導(dǎo)的環(huán)丁烷嘧啶二聚體或光產(chǎn)物的修復(fù)一致。在整個(gè)腫瘤基因組中都檢測(cè)到了紫外突變信號(hào)，但在黑色素瘤、皮膚鱗狀細(xì)胞癌和基底細(xì)胞皮膚癌中，發(fā)現(xiàn)紫外突變信號(hào)在轉(zhuǎn)錄活性啟動(dòng)子的特定位置富集[23]。導(dǎo)致紫外線介導(dǎo)的啟動(dòng)子復(fù)發(fā)性位點(diǎn)突變的機(jī)制仍不清楚，還需要進(jìn)一步研究。

3 食管癌相關(guān)的DNA損傷

3.1 ESCC相關(guān)的DNA損傷研究

3.1.1 DNA損傷修復(fù)與ESCC放射敏感性中國食管癌的主要類型是ESCC，占全球食管癌的70% ，患者5 a生存率不到30%。雖然目前 ESCC的診斷和治療已有改善，但預(yù)后仍然很差[24]。在ESCC中BER基因的多態(tài)性可能與ESCC的易感性有關(guān)[25-26]。NER基因的遺傳變異與ESCC患者的生存結(jié)果有關(guān)[27-28]。此外，NHEJ途徑中XRCC6和XRCC5基因的遺傳多態(tài)性與ESCC的高風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[29]。對(duì)于維持基因組穩(wěn)定性很重要的MMR基因MLH1的啟動(dòng)子甲基化可能是男性ESCC患者預(yù)后的預(yù)測(cè)因子[30]。DNA損傷修復(fù)途徑的改變與癌癥的易感性有關(guān)，并有助于癌癥的治療反應(yīng)和耐藥性反應(yīng)。DDR途徑的紊亂與腫瘤起因、發(fā)生發(fā)展和療效具有很大關(guān)聯(lián)，DDR途徑的上調(diào)與DNA的放療和化療耐藥性有關(guān)[31]。ESCC在DDR通路的基因改變以基因突變和拷貝數(shù)變異(copy number variations,CNVs)為主。與其他途徑相比，兩條DNA雙鏈斷裂修復(fù)途徑同源重組(HR)和非同源末端連接(NHEJ)攜帶顯著的基因突變和CNV，尤其是基因擴(kuò)增。DSB修復(fù)基因的激活也是癌癥耐放化療的原因之一[32]。在ESCC中，包括RAD54B、NBS1、RAD51B和 PRKDC在內(nèi)的大多數(shù)基因顯著擴(kuò)增和過量表達(dá)，表明DSB修復(fù)途徑在ESCC上調(diào)。此外，在DSB途徑基因擴(kuò)增的ESCC細(xì)胞中，分別用于HR和NHEJ的兩種抑制劑mirin和NU7441與電離輻射處理的組合顯著增強(qiáng)了DSBs，降低了克隆形成細(xì)胞的存活率，抑制了細(xì)胞增殖，并促進(jìn)了細(xì)胞凋亡，這些發(fā)現(xiàn)表明，mirin和NU7441可以明顯提高DSB修復(fù)途徑基因擴(kuò)增后的ESCC細(xì)胞的放射敏感性，揭示了在ESCC治療中的潛在臨床應(yīng)用價(jià)值[33]。

3.1.2 DNA損傷反應(yīng)調(diào)控，促進(jìn)ESCC化療敏感性眾所周知，DNA損傷修復(fù)是順鉑的重要耐藥機(jī)制。HOXB7是HOX家族基因的一員，是重要的發(fā)育調(diào)節(jié)基因，在癌癥中經(jīng)常發(fā)生調(diào)節(jié)失調(diào)。HOXB7在ESCC組織中的過度表達(dá)可促進(jìn)致癌性，并預(yù)示著食管鱗癌的不良預(yù)后[34]。HOXB7參與了與Ku70/Ku80/DNA-PKC相關(guān)的NHEJ修復(fù)途徑。然而，NHEJ修復(fù)途徑容易出錯(cuò)，產(chǎn)生有害突變和染色體異常，從而引發(fā)腫瘤[35-36]。HOXB7的高表達(dá)通過與Ku70、Ku80、DNA-PKcs相互作用并誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯而賦予ESCC細(xì)胞化學(xué)抗性，下調(diào)其表達(dá)或破壞其功能可增強(qiáng)化學(xué)敏感性。HOXB7可作為評(píng)價(jià)化療耐藥性的生物標(biāo)志物[37]，是有希望的治療靶點(diǎn)。ATM參與順鉑誘導(dǎo)的DNA損傷反應(yīng)，并且ATM的激活誘導(dǎo)細(xì)胞周期檢查點(diǎn)和DNA修復(fù)反應(yīng)的激活[38]。研究發(fā)現(xiàn)E2F1可以通過增強(qiáng)ATM啟動(dòng)子活性來提高ATM的表達(dá)水平。順鉑治療后，通常會(huì)激活多種DNA修復(fù)機(jī)制，對(duì)順鉑損傷的DNA進(jìn)行修復(fù)。E2F1-ATM通路中通過miR-302降低ATM表達(dá)可導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)順鉑等藥物的敏感性增加[39]。ATM缺乏使細(xì)胞對(duì)順鉑誘導(dǎo)的凋亡敏感。miR-26b通過消除ATM激活參與DNA損傷途徑的調(diào)節(jié)，最終影響DNA修復(fù)和細(xì)胞增殖。E2F1增加了順鉑在ESCC的化療敏感性，其作用可能是由于其靶基因miR-26b的上調(diào)。miR-26b作為腫瘤抑制基因調(diào)節(jié)細(xì)胞周期停滯，順鉑誘導(dǎo)的周期停滯依賴于ESCC的miR-26b。此外，miR-26b可能通過降低ATM的表達(dá)來干擾DNA損傷反應(yīng)[40]。

3.1.3 DNA損傷修復(fù)應(yīng)答與ESCC耐藥性ESCC患者的預(yù)后很差，對(duì)ESCC患者進(jìn)行的化學(xué)放射治療(CCRT)經(jīng)常由于耐藥而失敗。在CCRT反應(yīng)差的ESCC患者的治療前內(nèi)鏡活檢中，高DNA甲基化與SOX17的低表達(dá)一致。SOX17蛋白表達(dá)在區(qū)分差的CCRT應(yīng)答者和好的應(yīng)答者方面，表現(xiàn)出良好的預(yù)測(cè)性能。SOX17轉(zhuǎn)錄下調(diào)KYSE510抗輻射細(xì)胞中的DNA修復(fù)和損傷反應(yīng)相關(guān)基因，包括BRCA1、BRCA2、RAD51、KU80 DNAPK、p21、SIRT1、NFAT5和REV3L，以達(dá)到對(duì)抗癌治療的致敏作用。在ESCC放射耐藥細(xì)胞和異種移植細(xì)胞模型中，SOX17的CCRT增敏效應(yīng)是通過SOX17轉(zhuǎn)錄調(diào)控DNA損傷和修復(fù)應(yīng)答基因?qū)崿F(xiàn)的?？偟膩碚f，通過SOX17介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活腫瘤抑制功能可以作為克服ESCC耐藥的關(guān)鍵靶點(diǎn)[41]。

3.2 EAC相關(guān)的DNA損傷研究

EAC的獨(dú)特危險(xiǎn)因素之一是胃食管反流性疾病(gastro-esophageal reflux disease,GERD)，這是一種慢性消化疾病，來自胃的酸性內(nèi)容物經(jīng)常與十二指腸膽汁混合，進(jìn)入食管導(dǎo)致食管組織損傷。在細(xì)胞水平上，EAC的進(jìn)展是由反流和慢性炎癥因子的持續(xù)DNA損傷引起的，這些損傷增加了突變率，促進(jìn)了基因組的不穩(wěn)定性。反流對(duì)食道細(xì)胞有遺傳毒性作用，已知的與反流相關(guān)的致癌因素是DNA損傷。鹽酸和膽鹽是引起DNA損傷的反流酸的最顯著成分，在體外實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，短時(shí)間暴露于酸性pH值和膽鹽中，可誘發(fā)ROS、氧脅迫和DNA損傷[42]。線粒體和NADPH氧化酶(NADPH oxidases,NOX)都被發(fā)現(xiàn)與ROS的過量產(chǎn)生有關(guān)，反流激活GERD和BE患者食管中的NOX1和NOX2酶[43]。NOX5-S是NOX5的一個(gè)階段變種，在酸性條件下也被激活[44-45]，這些酶會(huì)產(chǎn)生破壞基因組DNA的超氧陰離子和過氧化氫。ROS也被認(rèn)為在巴雷特上皮化生(Barrett’s metaplasia,BE)中會(huì)導(dǎo)致線粒體DNA突變[46]。

EAC的病因復(fù)雜，涉及多種遺傳、飲食、行為和環(huán)境因素。胃食管反流已被確認(rèn)為EAC最強(qiáng)烈的危險(xiǎn)因素之一。目前公認(rèn)的是GERD導(dǎo)致組織損傷和繼發(fā)BE，然后發(fā)展為食管-咽發(fā)育不良和浸潤(rùn)性癌癥。EAC的發(fā)展是由反流引起的DNA持續(xù)損傷，促進(jìn)基因組不穩(wěn)定和多種腫瘤抑制和致癌途徑的改變。新的和更先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展有助于更好地了解這種癌癥的分子和細(xì)胞基礎(chǔ)，并幫助識(shí)別EAC治療的新分子靶點(diǎn)。

硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)在正常和惡性細(xì)胞中起代謝調(diào)節(jié)劑的作用。EAC中TXNIP的表達(dá)與較高的腫瘤分化、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的缺乏和神經(jīng)周圍侵襲的減少有關(guān)。在食管癌切除術(shù)前接受蒽環(huán)類化療的EAC患者中，TXNIP高表達(dá)也與疾病特異性生存率的提高相關(guān)[47]。TXNIP是糖酵解、葡萄糖攝取和糖酵解基因表達(dá)的負(fù)調(diào)節(jié)因子，也是多種癌癥的腫瘤抑制因子。葡萄糖和谷氨酰胺對(duì)TXNIP的調(diào)節(jié)，表明糖酵解和OXPHOS在EAC中緊密相連[48]。EAC中的TXNIP明顯低于正常食管。而且TXNIP的過度表達(dá)顯著降低了增殖、克隆發(fā)生和致瘤性，表明TXNIP在EACC起著腫瘤抑制作用。TXNIP過表達(dá)與增加的DNA損傷和細(xì)胞凋亡有關(guān)，而敲除TXNIP對(duì)細(xì)胞凋亡有保護(hù)作用，TXNIP使EACC對(duì)順鉑敏感[49]。

4 展望

DNA損傷修復(fù)途徑影響食管癌的治療和耐藥性。目前晚期ESCC的治療以手術(shù)加圍手術(shù)期放化療為主，但化療耐藥是改善整體生存期的巨大挑戰(zhàn)和障礙，以順鉑為基礎(chǔ)的聯(lián)合化療仍是ESCC的重要治療手段。miR-26b可通過降低ATM的表達(dá)來干擾DNA損傷反應(yīng)，E2F1增加了順鉑在ESCC中的化學(xué)致敏作用。mirin和NU7441可以通過DSB修復(fù)通路基因的擴(kuò)增顯著提高ESCC細(xì)胞的放射敏感性，顯示了在ESCC治療中的潛在臨床應(yīng)用價(jià)值。抑制ROS可以預(yù)防GERD誘導(dǎo)的DNA損傷和致瘤性轉(zhuǎn)化是治療EAC可行策略。 DNA損傷修復(fù)的研究，有助于了解食管癌基因突變的機(jī)制、治療反應(yīng)和耐藥性的原因，為食管癌的研究和治療提供新的途徑。