DNA损伤与肿瘤发生的研究进展

DNA损伤与肿瘤发生的研究进展谢成英综述蔡育军丁健审校出处：317《中国癌症杂志》2006年第16卷第4期基金项目:“抗肿瘤药物临床前药效学关键技术及平台研究”滚动课题(2004AA2Z3811)。通讯作者:丁健E-mai:[e-mail].[摘要]生物体基因组时刻都暴露在体内外各种应激因素的作用下,即使在非常健康的细胞其基因组DNA的完整性也持续受到威胁。DNA在细胞内外各种因素的作用下可不断产生损伤,如体内代谢过程中产生的自由基和其它活性化合物,DNA在复制和重组过程中自发的错误;环境中的紫外线和离子辐射以及一些化学物质均能损伤DNA。细胞能通过周期阻滞修复DNA或者细胞凋亡对DNA损伤产生反应。细胞对DNA损伤反应的异常将导致肿瘤的发生。本文综述当前对DNA损伤修复和凋亡的分子调控以及它与肿瘤发生的研究进展。[关键词]DNA损伤;DNA修复;细胞周期阻滞;细胞凋亡;肿瘤发生中图分类号:R730.1文献标识码:A文章编号:1007-3639(2006)04-0313-05AdvancesinresearchonDNAdamageresponseintumorigenesisXIECheng-Ying,CAIYu-Jun,DINGJian(DivisionofAnti-TumorPharmacology,StateKeyLaboratoryofDrugResearch,ShanghaiIn-stituteofMateriaMedica,ChineseAcademyofSciences,Shanghai,201203,China)Correspondenceto:DINGJianE-mail:[e-mail][Abstract]ThegenomicDNAoftheorganismisoftenexposedtomanykindsofstressfactors.Theintegrityofge-nomicDNAisconstantlyunderthreat,eveninperfectlyhealthycells.DNAdamagecanresultfromstochasticerrorsinthereplicationorrecombinationofDNA,orfromtheactionofendogenousfreeradicalsandactivecompounds,aswellasfromenvironmentalstressfactorslikeUVandionradiation.CellscanbearrestedatsomephaseofthecellcycletofacilitateDNArepairorinducedintoapoptosisafterDNAdamage.CarcinogenesiscouldresultfromtheabnormalresponseofcellstoDNAdamage.ThisreviewdescribescurrentunderstandingofthemolecularcontrolofDNAdamage-inducedrepairandap-optosiswithparticularattentiontoitsroleintumorigenesis.[Keywords]DNAdamage;DNArepair;cellcyclearrest;cellapoptosis;tumorigenesisDNA是机体生命活动最重要的遗传物质,其分子结构完整性和稳定性的保持对于细胞的存活和正常生理活动的发挥具有重要意义。但是DNA时刻面临来自于生物体内部或外部的侵袭,在细胞内外各种因素的作用下可不断出现损伤。尽管如此,细胞仍能保持正常的生长、分裂和繁殖,很明显基因组的稳定性和完整性处于连续不断的、有效的监控之下。生物体基因组完整性的维持依赖于体内相互独立但又密切联系的两套系统:DNA修复和凋亡。细胞通过周期阻滞修复DNA或者细胞自杀对DNA损伤产生反应。细胞对DNA损伤异常反应将导致肿瘤的发生,对DNA损伤反应的深入研究有助于人们进一步认识肿瘤的本质,以更好地提高癌症的治疗和预防。1DNA损伤的诱发因素DNA是生物遗传信息的主要载体,DNA在细胞内外各种因素的作用下可不断产生损伤,DNA损伤剂广泛存在于体内外,归纳起来可分为两类:1.1环境因素即外源性因素,包括物理因素和化学因素。目前已证明的引起DNA损伤的物理因素主要有重金属、高温高压、各种电离及非电离辐射(如UV)和机械力作用等,可引起DNA单、双链断裂,形成各种二聚体。引起DNA损伤的化学因素主要有强氧化剂、强酸、强碱和各种化学诱变剂等。这一因素造成的DNA损伤主要使碱基丢失、核苷酸结构变异以及DNA链发生断裂。临床应用的DNA损伤类化疗药物(如烷化剂、DNA拓扑异构酶抑制剂)即是利用这一原理,通过直接或间接损伤DNA而发挥抗肿瘤作用,并且其抗肿瘤效应与其DNA损伤能力密切相关。1.2内部因素即DNA本身的因素。DNA分子本身可以发生一些自发性的损伤,据统计,每个细胞的DNA在24h内出现约1万次的损伤。DNA在复制和重组过程中,由于其4种碱基:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧呤(C)和胸腺嘧呤(T)结构的相似性和自由能差异或其他原因可发生碱基错配、碱基的脱氨基、脱嘌呤、脱嘧啶以及碱基的修饰。此外,细胞正常代谢过程中产生的活性产物(如活性氧)也可攻击DNA,造成DNA损伤。目前对DNA本身因素导致的损伤作用机制不甚清楚。2细胞对DNA损伤的反应当处于增殖或静息的细胞受到DNA损伤的刺激时,基因组的完整性面临威胁,将产生一系列生物学效应。这些效应最终将导致DNA修复以维持细胞生存或死亡。其效应的产生取决于DNA损伤的程度和细胞的生理状态。在一个特殊类型的细胞中目前仍不清楚何种因子决定其效应。推测那些具有内在过度增殖潜能的细胞更易转化以维持DNA损伤,因而DNA损伤耐受阈值更低。2.1细胞对DNA损伤的修复一般的观点认为细胞针对DNA损伤的第一反应是修复。当DNA损伤有望修复时,细胞将启动修复系统修复损伤的DNA。DNA损伤将使细胞在周期检查点停滞。这种停滞使细胞在重新复制和有丝分裂前有足够的时间进行有效的DNA修复,因而可防止遗传病变繁殖导致的基因组的不稳定性[1]。这种修复反应通常是可逆的。γ射线或某些化疗药物作用于原代培养的成纤维细胞可激活这种类型的DNA损伤反应[2]。2.2DNA损伤诱导的细胞凋亡当DNA损伤严重、修复无望时,细胞走向程序性死亡,以消除受损的细胞,避免将错误的遗传信息传递给子细胞或是发生恶性转化。这种不可修复的DNA损伤将杀死各种类型的细胞。不同类型的哺乳动物细胞对DNA损伤诱导凋亡的敏感性存在很大的差异。淋巴细胞对DNA损伤以及其他刺激更易产生凋亡,即使在受到很小的DNA损伤刺激的情况下也会发生自杀反应,而这种损伤在其他类型的细胞中能够修复[3]。相反,在原代培养的成纤维细胞中很少会出现DNA损伤诱导的细胞凋亡。这些不同的凋亡阈值,反应了细胞内存在不同的前凋亡和抗凋亡调节组成部分。3DNA损伤反应介导的信号通路DNA损伤刺激产生一个信号,这一信号最终将被细胞周期或凋亡调控系统所接受。研究表明:细胞周期阻滞和凋亡诱导是通过部分重叠而又明显不同的信号转导通路完成。Ataxiatelangiectasiamutated(ATM)蛋白激酶家族是DNA损伤反应的核心组成部分,其中包括ATM、ATM-Rad3-related(ATR)、DNA-dependentpro-teinkinase(DNA-PK)和fluorescencerecoveryafterphotobleaching(FRAP)[1,4-5]。这些大分子蛋白是DNA损伤识别的重要组成部分,部分蛋白从酵母(Rad3、MEC-1、TEL-1)到人(ATM家族)是高度保守的。DNA损伤可激活ATM激酶,后者磷酸化其下游的反应元件,使细胞在细胞周期关卡处停滞分裂,损伤的DNA获得时间进行有效的修复,若修复失败则细胞进入凋亡过程。其中MRN(Mre11-Rad50-Nbs1)复合体是ATM的重要效应器。DNA损伤后染色体的缔合,ATM的自身磷酸化都需要该复合体的存在[6-7]。但是也有研究报道在Nbs1突变的细胞中ATM也能发生低水平的自身磷酸化[8]。ATM主要对DNA双链断裂发生反应并且它的激活比ATR更快。与ATM不同ATR可对广泛的DNA损伤发生反应,ATR激酶激活它的主要靶标关卡激酶(checkpointkinase1,Chk1)需要相关蛋白ATRIP和蛋白复合体RAD17和9-1-1(RAD9-RAD1-HUS1)[9]。DNA-PK的主要功能是识别和修复DNA双链断裂。总而言之,DNA损伤通过刺激感受器(sensorproteins)如ATM家族蛋白激酶,检测DNA的结构异常并启动检控点信号;损伤信号通过转导因子(signalrelayproteins)诸如Chk1/Chk2,经级联转导过程激活相应的效应分子(effectorproteins)如Cdc25A、Cdc25C和p21;效应分子则引发一系列的下游生物学事件,对受损的DNA有效修复,细胞周期阻滞或凋亡(图1)[1,5]。图1DNA损伤反应介导的信号通路Fig.1SignalingpathwaysintheresponsetoDNAdamage3.1DNA损伤修复DNA损伤修复是保持细胞基因组完整性的重要机制。DNA损伤修复是一个多因素共同参与、多步骤的复杂过程。针对不同形式的损伤其修复方式也大不相同(图2)[10],在哺乳动物中DNA修复方式主要有以下几种:①碱基切除修复(baseexcisionrepair,BER),主要负责切除或替换由内源性化学物质引起的碱基修饰或单链断裂;②核苷酸切除修复(nucleotideexcisionrepair,NER),针对DNA链螺旋扭曲损伤、链内交联及某些形式的氧化损伤;③错配修复(mismatchrepair,MMR),主要针对一些由DNA损伤试剂引起碱基错配以及在DNA复制和重组过程中单个碱基的错配和小的插入或缺失,通过不同的MMR蛋白MSH2和MSH6(MutSα),或MSH2和MSH3(MutSβ)可识别碱基错配[11];④同源重组(homologousrecombina-tion,HR)和非同源末端连接(nonhomologousend-joining,NHEJ),主要针对DNA双链断裂的修复,同源重组涉及Rad51、Rad52、Rad54蛋白,非同源末端结合修复涉及DNA-PKcs、Ku70、Ku80、DNAligaseⅣ和XRCC4蛋白[12]。这些修复通路被来自ATM相关DNA损伤效应激酶激活。3.2DNA损伤和细胞周期阻滞无论是DNA损伤修复还是凋亡诱导,首先会引起细胞周期停滞。ATM和ATR识别DNA损伤后,能够磷酸化p53。在许多类型的细胞中抑癌基因p53是DNA损伤诱导的细胞周期阻滞的重要调节者[13-15]。在G1/S检查点,DNA损伤可引起p53依赖的周期阻滞。正常情况下细胞内p53表达水平很低,当细胞受到DNA损伤刺激时p53的表达量和活性迅速升高。p53可引起多种基因的转录,如:p21、Mdm2、Bax。p53对DNA损伤诱导的p21cip1/WAF1的表达和G1期阻滞是至关重要的,p53可通过转录诱导p21,抑制与cyclinE、cyclinA相结合的CDK的活性,并由此使细胞阻滞于G1/S检查点。S期检查点对于维持基因组的稳定性具有重要的意义,但S期DNA损伤的检查点机制尚不明确,有研究表明,S期阻滞需要ATM介导的Nbs1的磷酸化作用[16],ATM-Nbs1-Smc1通路是S期调控的重要机制[17]。DNA损伤也可诱导细胞阻滞于G2/M期检查点。G2期DNA损伤检查点是阻止带有DNA损伤的细胞进入有丝分裂期的最后一道关卡。DNA损伤后ATM