范可尼貧血途徑在腫瘤治療及細(xì)胞衰老中的作用機(jī)制

瞿加牧 葉定德 李國(guó)強(qiáng)

鉑類(lèi)藥物的主要作用機(jī)制是以DNA為靶點(diǎn)，通過(guò)共價(jià)鏈連接2條DNA鏈，形成DNA鏈間交聯(lián)(ICL)以抑制DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，其中，染色體畸變是ICL的常見(jiàn)表現(xiàn)[1-3]。范可尼貧血(FA)是一種罕見(jiàn)的遺傳基因組不穩(wěn)定疾病，臨床表現(xiàn)為發(fā)育性疾病、骨髓衰竭綜合征、染色體脆性綜合征以及癌癥易感等。FA不同亞型病人的細(xì)胞均對(duì)DNA交聯(lián)劑高度敏感。同時(shí)，F(xiàn)A缺陷也會(huì)加速細(xì)胞衰老，使病人表現(xiàn)出早衰癥狀[4]。本綜述簡(jiǎn)述了FA途徑在細(xì)胞衰老以及腫瘤治療抗性中的作用，希望通過(guò)了解FA途徑，為老年癌癥病人的治療帶來(lái)更多的思路。

1 FA及FA途徑

1.1 FA FA家族目前已經(jīng)被鑒定的大概包括19種FA互補(bǔ)基團(tuán)以及數(shù)種FA相關(guān)基因(FAPP24/FAPP100/FAPP20)[5-7]，他們均參與了ICL的損傷修復(fù)過(guò)程。FA病人的平均壽命為30～40歲左右，這些病人在十幾到二十歲時(shí)就面臨著健康個(gè)體在六十歲左右時(shí)才會(huì)發(fā)生的疾病，例如貧血、骨髓增生異常綜合征、急性髓性白血病等[8]。此外，F(xiàn)A病人還表現(xiàn)出嚴(yán)重的造血干細(xì)胞功能受損，這可能是由于長(zhǎng)期DNA損傷，引發(fā)p53/p21介導(dǎo)的造血干細(xì)胞檢查點(diǎn)細(xì)胞周期停滯所導(dǎo)致的，而敲除p53可以有效地改善這一類(lèi)型的造血干細(xì)胞功能障礙[9]。

1.2 FA途徑

1.2.1 FA互補(bǔ)組蛋白M(FANCM)：FANCM是FA途徑的起始蛋白，其主要結(jié)合FAAP24以及組蛋白折疊蛋白1和2(MHF1、MHF2)[10]。FANCM/FAPP24復(fù)合物能有效激活FA途徑，促進(jìn)同源重組(HR)啟動(dòng)，并抑制其他修復(fù)途徑[11]。FANCM基因編碼的多結(jié)構(gòu)域馬達(dá)蛋白是保守的DEAH型DNA依賴性ATP酶和雙鏈DNA(dsDNA)轉(zhuǎn)位酶家族的一部分，這使得FANCM可以介導(dǎo)DNA鏈的分支遷移、D-環(huán)解離以及復(fù)制叉逆轉(zhuǎn)[12-13]。此外，F(xiàn)ANCM蛋白的2個(gè)結(jié)構(gòu)域MM1、MM2可以分別結(jié)合并募集FA核心復(fù)合物及Bloom綜合征解螺旋酶(BLM)復(fù)合物。

1.2.2 FA核心復(fù)合物：FA核心復(fù)合物是由9種FA蛋白及其相關(guān)蛋白組裝而成的對(duì)稱(chēng)異源三聚體結(jié)構(gòu)(FANCB-FANCL-FAAP100、FANCC-FANCE-FANCF和FANCA-FANCG-FAAP20)，其主要作用是對(duì)FANCI和FANCD2進(jìn)行單泛素化，并通過(guò)某些未知的機(jī)制改變FANCI-FANCD2(ID2)的構(gòu)象，從而形成穩(wěn)定的異二聚體復(fù)合物ID2[14-15]。

1.2.3 ID2復(fù)合物：ID2復(fù)合物是FA途徑的核心。ID2復(fù)合物定位于DNA損傷位點(diǎn)，單泛素化后可以迅速募集如ID2復(fù)合物相關(guān)核酸酶1(FAN1)、著色性干皮病蛋白F(XPF)-切除修復(fù)交叉互補(bǔ)基因1(ERCC1)、FANCP/結(jié)構(gòu)特異性核酸內(nèi)切酶亞基(SLX4)等蛋白來(lái)打開(kāi)ICL交聯(lián)叉，同時(shí)募集包括FANCS/乳腺癌易感蛋白1(BRCA1)、FANCU/X射線修復(fù)交叉互補(bǔ)蛋白2(XRCC2)以及FANCO/Rad51重組酶(RAD51C)等其余FA亞基蛋白，進(jìn)一步促進(jìn)HR修復(fù)的啟動(dòng)和進(jìn)行[16-17]。

那么，ID2又是如何與DNA結(jié)合的呢？這里引入了“DNA夾”構(gòu)象的概念[18]。初始的ID2復(fù)合物形狀類(lèi)似開(kāi)放槽，且無(wú)法進(jìn)行泛素化，這種ID2復(fù)合物本身結(jié)構(gòu)中包含了一個(gè)足以容納dsDNA的內(nèi)腔，內(nèi)腔中有一個(gè)由幾個(gè)帶正電荷的殘基組成的突起結(jié)構(gòu)，被定義為“Tower域”[19]。ID2復(fù)合物通過(guò)該結(jié)構(gòu)域的靜電作用與dsDNA結(jié)合，兩端延長(zhǎng)，伸出“臂結(jié)構(gòu)”環(huán)繞dsDNA，這樣的構(gòu)象改變暴露出了UBE2T泛素結(jié)合位點(diǎn)[18]。

單泛素化后的ID2復(fù)合物可以募集多種FA互補(bǔ)基團(tuán)或相關(guān)蛋白,定位于ICL交聯(lián)部位發(fā)揮作用。其中，F(xiàn)ANCQ/XPF-ERCC1、FANCP/SLX4-SLX1、FAN1等蛋白均參與了ICL脫鉤反應(yīng)，即ICL發(fā)生兩側(cè)切割事件，使ICL脫鉤出2條單鏈[20]，其中一條短單鏈通過(guò)跨損傷修復(fù)(TLS)恢復(fù)DNA模板后[21]，再通過(guò)HR修復(fù)形成一條新的dsDNA。另一條長(zhǎng)單鏈ssDNA迅速被三聚體ssDNA結(jié)合蛋白復(fù)合物(RPA復(fù)合物)包裹[22]。當(dāng)修復(fù)完成時(shí)，這些修復(fù)因子會(huì)被及時(shí)地降解處理，否則其持續(xù)存在也會(huì)導(dǎo)致遺傳信息的破壞及不適當(dāng)?shù)男袨閇23]。最后，人類(lèi)泛素特異性蛋白酶1(USP1)-USP1相關(guān)因子(UAF1)復(fù)合物特異性地去泛素化ID2復(fù)合物，完成FA途徑循環(huán)。

2 FA途徑在腫瘤化學(xué)藥物治療(化療)和放射療法(放療)中的作用

目前，化療和放療都是癌癥主要的治療方法，這些方法主要依賴于誘導(dǎo)DNA損傷的產(chǎn)生，但是這些DNA損傷往往都會(huì)被DNA損傷修復(fù)途徑識(shí)別并修復(fù)，進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的治療抗性[24]。DNA修復(fù)中最重要的兩種修復(fù)途徑分別是快速但易出錯(cuò)的非同源末端鏈接(NHEJ)和緩慢但無(wú)錯(cuò)的HR[25]。FA途徑缺陷的細(xì)胞在DNA修復(fù)方面具有顯著缺陷。大多數(shù)FA基因表達(dá)缺陷的癌癥病人表現(xiàn)出對(duì)化療和放療更高的敏感性，也顯示了更好的治療預(yù)后。

2.1 FA途徑在化療中的作用 在化療中，合成致死(即利用失調(diào)的DNA損傷反應(yīng)基因)是癌癥治療中最具有前景的方法之一。當(dāng)FA途徑缺陷時(shí)，合并使用共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變激酶(ATM)抑制劑可對(duì)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生綜合致死性[24]。這可能是由于FA途徑缺陷的細(xì)胞會(huì)停滯DNA復(fù)制叉并不斷積累，直至產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂(DSB)，從而激活依賴于ATM的DNA損傷修復(fù)反應(yīng)，此時(shí)應(yīng)用ATM抑制劑可以消除替代途徑，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[26]。聚腺苷二磷酸核糖聚合酶抑制劑(PARPi)常被用于抗癌治療，它通過(guò)有效抑制依賴于BRCA1的HR途徑，進(jìn)而影響腫瘤生長(zhǎng)。但是，當(dāng)BRCA1介導(dǎo)的HR在受到PARPi的作用后，F(xiàn)ANCW/REV7可以被募集到DNA損傷病灶，阻斷HR并促進(jìn)NHEJ途徑的轉(zhuǎn)換，最終產(chǎn)生對(duì)PARPi的抗性。

2.2 FA途徑在放療中的作用 在電離輻射(IR)治療中，F(xiàn)ANCU/XRCC2已被證實(shí)可以增加放療抗性。IR主要通過(guò)誘導(dǎo)DSB來(lái)殺死腫瘤細(xì)胞，而XRCC2可以通過(guò)修復(fù)DSB和防止細(xì)胞凋亡來(lái)增加癌細(xì)胞的抗輻射性[25]。

3 FA途徑在細(xì)胞衰老中的作用

人體細(xì)胞不能完全復(fù)制端粒，每一次的細(xì)胞分裂都會(huì)損失一定數(shù)量的堿基對(duì)，當(dāng)端粒的長(zhǎng)度低于某個(gè)限度時(shí)，其會(huì)失去保護(hù)性功能，引發(fā)染色體降解融合，最終導(dǎo)致細(xì)胞衰老或凋亡[27]。端粒的長(zhǎng)度以及縮短速度都已經(jīng)成為當(dāng)前預(yù)測(cè)老年人疾病與健康的具有重要意義的生物學(xué)指標(biāo)。目前已有多種FA蛋白(包括FANCA、FANCL、FANCC、FANCD2、FANCM、FANCJ、FANCP等)被鑒定參與了端粒的維持、縮短、再重組過(guò)程[8, 28-29]。

FANCD2在維持端粒長(zhǎng)度中發(fā)揮了重要作用。與正常細(xì)胞相比，F(xiàn)ANCD2缺失的原代細(xì)胞表現(xiàn)出端粒過(guò)早縮短、端粒重組增加以及從端粒碎片到長(zhǎng)串延伸端粒的異常端粒結(jié)構(gòu)變化[30]。Domingues-Silva等[28]研究發(fā)現(xiàn)，端粒延長(zhǎng)替代型(alternative lenthening of telomeres，ALT)細(xì)胞(一種缺乏端粒酶的腫瘤細(xì)胞)通過(guò)調(diào)節(jié)BLM的作用以及抑制端粒R環(huán)的積累使細(xì)胞存活，而ALT細(xì)胞中的FANCM可以限制端粒的復(fù)制壓力和損傷，因此，F(xiàn)ANCM失活可以導(dǎo)致ALT細(xì)胞凋亡。FANCC病人往往表現(xiàn)出較早的骨髓衰竭癥狀及血液惡性腫瘤的易感性[29]。FANCC在沒(méi)有端粒酶的情況下，可以維持骨髓細(xì)胞的短端粒，而FANCC缺失則會(huì)加速細(xì)胞中的端?？s短，并促進(jìn)由短端粒引起的端粒重組。

4 總結(jié)

自從第一種FA基因被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，至今已近30年，目前已被鑒定的FA基因已有20余種，但是關(guān)于其在DNA損傷修復(fù)反應(yīng)中的作用機(jī)制還有許多仍未闡明。有學(xué)者在進(jìn)行TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)的挖掘時(shí)，發(fā)現(xiàn)肝癌組織中的FA基因表達(dá)水平遠(yuǎn)高于癌旁組織，這可能與癌組織中更加旺盛的代謝、生長(zhǎng)、增殖等有關(guān)。FA途徑的異常表達(dá)也可能是癌細(xì)胞很快會(huì)對(duì)誘導(dǎo)DNA交聯(lián)的藥物產(chǎn)生耐藥性的一大原因。而且FA是一種慢性進(jìn)展的疾病，短期抑制FA表達(dá)可能不會(huì)造成嚴(yán)重的損傷，因此，抑制FA途徑可能是一個(gè)潛在的抗癌治療靶點(diǎn)。但是，F(xiàn)A的腫瘤易感性可能會(huì)使治療后的病人更容易發(fā)生二次癌癥，包括乳腺癌、泌尿系統(tǒng)腫瘤，或是導(dǎo)致細(xì)胞加速衰老并引發(fā)造血功能障礙。所以，老年人的抗癌治療可能需要一種動(dòng)態(tài)的復(fù)合型治療方案。

總之，系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)FA途徑可以給癌癥的治療帶來(lái)更多的治療思路和機(jī)會(huì)。FA途徑也可能成為癌癥治療和預(yù)后的潛在靶點(diǎn)之一。