DNA损伤的识别与修复

1、DNA损伤的识别与修复作者：Antony M. Carr转贴自：本站原创 点击数：117文章录入：kay76 细胞能够对DNA损伤和停止的DNA复制叉做出反应的能力对于避免基因组的不稳定性、癌症和细胞死 亡是至关重要的。DNA修复途径可以识别和修复特异的DNA损伤。它们利用损伤识别蛋白去感知特异 的损伤，随后启动正确的DNA修复机制。依赖ATR(ATM- and Rad3- related)的checkpoint途径可以识 别多种DNA损伤事件和停止的复制叉，并发出有关的信号oZou和Elledge在Science 2003 300: 1542-1548 阐明了该途径的作用机制(1)。DNA修

2、复途径检测损伤的机制很简单：先是一个或多个蛋白通过立体结构识别出某个 DNA损伤，然后蛋白结合于损伤处，形成的复合物随后招引来其它的修复蛋白至损伤处。 例如，在对错配修复或者DNA双链断裂(double-strand break，DSB)的修复中，损伤处 分别被相应的蛋白传感复合物(错配：Msh2-Msh6； DSB： ku70/80)识别，DNA修复依 赖于随后与特异的修复蛋白(错配：Mlh1-Pms1； DSB： Xrcc4-Lig4)的结合。其它修复途 径的损伤识别机制与上类似，例如核苷酸外切修复(nucleotide excision repair，NER)。NER 处理膨胀的DNA加

3、合物(损伤的DNA或者交叉连接的碱基)，但是损伤识别蛋白对DNA 加合物的识别并非直接通过它的精确的几何结构，而是通过识别蛋白XPC-HR23B对扭曲 的DNA螺旋的亲和性来识别的(2)o因为所有的膨胀损伤都会使DNA螺旋扭曲，这使得 识别蛋白只要能够识别一种结构就可以检测出多种不同的DNA加合物。Simple damageChfrtkpcini 占riKognktbon图1.识别和修复DNA损伤。左：简单修复途径，通过检测特异的损伤结构对损伤直接识别；中：NER 蛋白通过识别扭曲的DNA螺旋对膨胀的DNA加合物作出反应；右：依赖ATR的checkpoint识别结合于 单链DNA上的RPA蛋白

4、。当DNA复制复合物停止时或者损伤的DNA被处理后，RPA-单链DNA被暴 露在外。修复途径通过特异的蛋白-DNA相互作用识别异常的DNA结构，然而ATR途径对广泛的 损伤和复制事件作出反应。checkpoint蛋白是与相应的多种几何结构直接发生相互作用， 还是与NER能够识别多种膨胀损伤一样，只需识别单一立体结构就可检测出多种损伤？ Lydall和Weinert （3）发现酵母中在端粒处制造的单链DNA与checkpoint发出的信号呈正 相关。他们认为依赖ATR的checkpoint识别单链DNA，这是在大多数DNA修复和复制 位点的下游通常出现的一种结构。后继的工作支持这个模型。同样也是

5、在酵母中，由酶切 产生双链断裂（DSB）后的checkpoint信号强度被表明与核酸酶切割产生的单链DNA数 量成正比（4）。对爪蟾Xenopus的研究（5）也发现单链DNA区往往是RPA（Replication Protein A）和ATR-依赖的信号发生出现的地方。RPA是一个重要的蛋白质，为DNA复制和修复所需。单链DNA是脆弱的，在体内只能 以与RPA结合的形式存在。有趣的是，在表达突变形式RPA的细胞中，checkpoint的激活 被削弱（4），这表明RPA直接参与ATR依赖的checkpoint途径。Zou和Elledge（ 1）抑制 了 RPA在人类细胞和酵母细胞中的表达。RPA

6、的部分抑制导致ATR-checkpoint信号削弱， checkpoint蛋白与损伤染色体的结合下降。这些数据尽管强调了 checkpoint正常活化对RPA 的需要，但是它们是基于体外对checkpoint蛋白与RPA包被的单链DNA结合状况的生化 分析。ATR总是被发现于与ATRIP（ATR-interacting protein,在人类中为Mec1，酵母中为 Ddc2）形成的复合物中。用经过纯化的人类和酵母蛋白进行研究，发现ATRIP和Ddc2与 RPA-单链DNA直接结合，并且这种结合是特异性的，但是不与单独的单链DNA、双链 DNA或者双链DNA末端结合。另外，与突变的RPA结合的单

7、链DNA与Ddc2的结合能 力下降5倍。这个发现为先前的基因水平上的研究数据提供了生物化学水平上的相关数据 （4）。与ATRIP的结合使得ATR掺入RPA-单链DNA复合物。有趣的是，掺入到复合物 中的ATR可以有效的磷酸化第二套checkpoint蛋白敏感复合物Rad17，但是只有当Rad自身独立的掺入到RPA-单链DNA复合物中时这种磷酸化才可以发生。这些数据表明尽管 不同的checkpoint蛋白虽然是各自独立的掺入到DNA损伤位点（6），但是它们可以通过 依赖ATR的磷酸化相互协调地组合成一个复合物。几乎所有的DNA修复途径都是通过广泛存在的RPA-单链DNA介导来处理DNA损伤的。

8、那些不产生明显的RPA-单链DNA中介物的途径，比如碱基切除修复（base excision repair， BER）途径，在checkpoint系统中看不到（7）。停止的复制叉暴露出延展的RPA-单链DNA 区域（8）。从而，依赖ATR的checkpoint可以通过识别RPA-单链DNA一种共同的中介 物一对多种DNA损伤和复制问题做出应答。重要的是，对DNA损伤检测的生物化学理解 将有助于对许多以前错误地联系到checkpoint信号途径的DNA修饰酶（比如解旋酶、核 酸酶、修复蛋白、复制蛋白）正确理解。任何影响到DNA代谢的突变都可能影响到RPA- 单链DNA的产生，这将对依赖ATR的c

9、heckpoint途径产生相应的但是间接的影响。RPA-单链DNA是依赖ATR的checkpoint唯一的激活物吗？当然，Zou和Elledge的分析 结果并不支持Ddc2（ATRIP）与DSB直接结合（9）。DSB对细胞来说是最危险的损伤， 有趣的是相应的ATM依赖的checkpoint途径特异性的对DSB做出应答。依赖于ATM的 信号传导需要修复蛋白复合物Mre11-Rad50-Xrs2（MRX）的重组，而ATM和MRX都与 发生双链断裂损伤的染色体结合。ATM途径是通过与DSB-MRX复合物直接结合对DSB（在RPA-单链DNA产生之前）直接做出应答吗？还是也需要RPA-单链DNA对AT

10、M进 行活化？可能的是，MRX对ATM充当了类似ATPIP的角色，使得它能够对依赖MRX的 核酸酶产生的RPA-单链DNA做出特异的应答。最近的研究表明ATM是被染色体扭曲激 活的，与DNA断裂无关（10），但是这不能排斥RPA-单链DNA的作用，因为染色体扭曲 可能使得单链DNA暴露。Zou和Elledge表明DNA损伤信号在细菌到人是保守的。原核生物对RecA-单链DNA敏 感，而真核生物对RPA-单链DNA敏感。检测到各种DNA损伤，尤其是那些由DNA复 制压力引起的，对于协调DNA修复和细胞周期进程以及凋亡是至关重要的。这种协调对 于细胞以至整个生物体的生存是重要的。最后，单链DNA是

11、检测损伤的基础表明，信号 的发出具有简单的解释。参考文献L. Zou, S. J. Elledge, Science300, 1542 （2003）.K. Sugasawa et al., Genes Dev. 15, 507 (2001) Medline.D. Lydall, T. Weinert,Science 270, 1488 (1995).S. E. Lee et al., Cell 94, 399 (1998) Medline.V. Costanzo et al., Mol. Cell 11, 203 (2003) Medline.J. A. Melo, J. Cohen, D. P. Toczyski,Genes Dev. 15, 2809 (2001) Medline.C. Leroy, C. Mann, M. C. Marsolier,EMBO J. 20, 2896 (2001) M