第四节 衰老DNA修复能力下降学说

1、第四节DNA修复能力下降学说 人体细胞中的DNA由两条脱氧核糖核酸链组成，它们互相缠绕成右手螺旋结构。在内环境(如自由基)和外环境(如阳光中的紫外线、化学物质)等有害因素作用下，DNA链受损而发生断裂，一般以一条链断裂最为多见。在人体中，估计每天每一个细胞约发生2 000次DNA损伤事件。DNA损伤后，遗传信息不能准确无误地进行转录、翻译，不过为了维持基因组的完整性以及机体的正常功能，细胞在进化过程中获得了某些DNA修复机制，从而得以保证遗传信息由亲代高保真地传至子代。细胞DNA的这种修复能力是生物体长期进化的结果，由遗传因素决定，可因机体所属的物种平均寿命不同而异。1974年，Hmtt和Se

2、t：low对7种哺乳动物(大鼠、小鼠、牛以及人等)皮肤成纤维细胞DNA非程序合成水平观察后发现，用10 Jm2紫外线剂量照射各种培养细胞，细胞核中所出现的银染颗粒数显著不同，提示不同物种的DNA修复能力与其各自的最高寿命有着良好的正相关关系。 DNA损伤时，不同基因甚至同一基因不同部位的修复过程并不均一：转录活跃基因被优先修复，而在同一基因中转录区被优先修复。在细胞分裂的DNA复制时期，基因修复比较彻底，这就是干细胞能永葆青春的根本原因。目前国际上已证实人类修复基因至少有30余种。实际上，细胞对DNA损伤的应答不仅仅是诱导修复基因表达，而且通过转换细胞周期调控点(checkpoint)的功能，

3、特别是p53、p21系统，阻滞细胞周期，从而使受损DNA有时间完成修复。因此，细胞对DNA损伤的应答时序及协调过程是由调控点控制基因(checkpoint control gene)控制的。 一、p53 p53基因位于17号染色体短臂17p131，DNA全长1620 kb，由11个外显子和10个内含子组成，外显子2、4、5、7、8编码5个进化高度保守的mRNA结构区，其蛋白产物定位于细胞核，为一种含有393个氨基酸磷酸核蛋白，相对分子质量约为531O3，故称为p53。野生型p53(wtp53)基因编码的p53是一种DNA结合蛋白，包含N一末端的转录激活结构域、DNA结合结构域、四聚体化结构域和

4、c一末端调节域，具有转录激活作用，通过两个途径调节细胞生长发育：一为调节：DNA复制启动复合物的组装和功能，对细胞进入s期进行调控；二为反式激活某些抑制细胞增殖的基因，从而对细胞分裂进行负调控。此外，野生型p53基因还有监视细胞基因组完整性的功能，例如，DNA遭受紫外线辐射等损伤时，p53蛋白将会累积，从而引起DNA复制停止，细胞停滞在G1期，提供足够的时间进行DNA修复；如果修复失败，则p53丧失这种功能，基因组稳定性下降，突变和染色体重排以较高速率发生，最终导致恶性克隆出现。突变型p53(mtp53)基因编码的。p53能够抑制细胞凋亡，人类肿瘤一半以上具有p53基因突变和缺失。综上所述，p

5、53基因的主要功能为阻滞细胞周期、促进细胞凋亡、维持基因组稳定性和抑制肿瘤血管生成。基础研究发现，应用逆转录病毒转导系统将温度敏感型p53(p53Vall35)基因导入永生化小鼠胚胎成纤维细胞NIH3T3中，该细胞株在培养条件下迅速表现出衰老相关特征，例如，细胞体积增大、细胞质铺展并伸出树状突起、细胞核增大并逐步分裂成多核、细胞质中脂褐质体增多以及细胞质空泡化、吐核等现象，因此p53能够诱导细胞迅速进入衰老状态。临床上，p53与各种老年性疾病的关系也很密切，它能诱导炎症蛋白SAA产生，引起动脉粥样化、骨质疏松、类风湿关节炎以及一些神经退行性病变。p53引起细胞衰老的机制可能与其诱导p21大量表

6、达有关。 二、p21 p21基因为单拷贝，定位于第6号染色体短臂上，DNA长度85 kb，有三个外显子，长度分别为68 bp、450 bp和1 600 bp，其蛋白产物含有164个氨基酸，富含精氨酸，相对分子量2l10。，故称为p21。p21是目前已知激酶抑制活性最广的细胞周期抑制蛋白，可以抑制细胞周期蛋白依赖激酶(cyelindependent，kinase，CDK)活性。周期蛋白(eyclin)不仅有激活CDK的作用，还决定cDK何时、何处、将何种底物磷酸化，从而推动细胞周期前进。目前已分离出的周期蛋白有30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3、c、D1-3、El-2、F、G、H等，分为

7、G1型、G1s型s型和M型4类，各类周期蛋白均含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。目前发现的CDK在动物中有7种，各种cDK分子均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，与周期蛋白的结合有关。细胞生长时，c1期cyclin D表达，然后与(,DK4结合使下游蛋白质磷酸化，从而释放出转录因子，促进基因转录；在G1-s期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞通过G1s限制点进入s期。因此，cyclinDl-CDK4和cyclinE-CDK2是参与细胞G1期调控的两种主要的蛋白激酶复合体，它们与p21结合后活性受到抑制，pRB蛋

8、白不能发生磷酸化，从而使细胞周期停滞在Gl期。另外，p21还可以抑制核增殖抗原(proliferation cell nuclear antigen，PCNA)与DNA多聚酶6结合，使DNA全酶不能在DNA单链上滑动，减慢复制叉行进速度，为修复DNA损伤争取时间，从而有利于基因修复。由此可见，p21是一种可诱导的生长抑制剂，能够促使细胞脱离细胞周期、发生分化，在个体发育中有重要意义。当细胞受到损伤或进入衰老状态时，p2l就会阻断细胞周期，使细胞不再增殖。 三、gadd45gadd45(growth arrest and DNAdamage一inducible的缩写)是p53信号链的下游基因之一

9、。它编码的蛋白相对分子质量为19lO。，含有一个p53结合元件，与DNA修复的关系也很密切。Smith等人体外实验研究发现，Gadd45促进核苷酸切除修复的作用与p21有关，它可以同p21竞争结合PCNA，成为修复复合体的成分而促进切除修复；另一方面，它还能使p21或cDKcyclin复合体脱离修复位点来促进切除修复。衰老细胞DNA损伤后，gadd45、p21基因。mRNA水平表达增高，但仍明显低于年轻细胞。p53的表达调控主要发生在转录后水平，DNA损伤时其mRNA表达水平无明显改变。因此衰老细胞DNA损伤修复能力下降以及细胞周期阻滞于G，期可能主要与gadd45、p21诱导表达下降有关。

10、随着年龄增加，DNA修复能力下降，基因表达发生异常，错误遗传信息不断累积，细胞功能逐渐减退，最终导致细胞衰老乃至死亡。1979年，Setlow等人利用紫外线诱发人外周血淋巴细胞DNA修复过程，结果发现年轻人供体细胞的DNA修复能力高于中、老年人供体细胞，说明同一物种内，个体的DNA修复能力与其年龄呈负相关，即高龄个体DNA修复能力小于低龄个体。国内学者韩宗超等人利用单细胞凝胶电泳实验发现，经紫外线或过氧化氢损伤后，老年小鼠脾细胞DNA单链断裂增多，其修复能力以及修复相关基因gadd45和gaddl53的表达情况均明显低于青年鼠。韩宗超等人对大鼠衰老神经细胞DNA氧化损伤与修复进行的研究表明，神经元为终末分化细胞，当其DNA受损时，无论是衰老细胞还是正常细胞，都具备同样性能的修复酶和一定的自我修复能力，但是衰老神经元的DNA脆性和易损性增加，修复的忠实性较差。对人体培养细胞的研究