DNA損傷與修復(fù)
日期:2024-01-24 13:10:15
DNA是遺傳信息的寶庫,是生物體生存和繁殖的必要條件,因此保持 DNA分子的完整性對細胞至關(guān)重要。然而,DNA在不斷復(fù)制并傳遞給子細胞的過程中難免會受到損傷。那么,細胞如何處理受損的 DNA呢?到底什么是 DNA損傷?DNA損傷的原因是什么?DNA損傷與哪些疾病相關(guān)?
本文將介紹DNA損傷及其原因,與突變的區(qū)別,以及DNA損傷的類型、DNA損傷反應(yīng)途徑和相關(guān)疾病。
1. 什么是DNA損傷?
DNA損傷是指任何偏離其原始雙螺旋結(jié)構(gòu)的改變。所有細胞生物都會發(fā)生DNA損傷。
2. 什么導(dǎo)致DNA損傷?
DNA損傷的來源很多,主要可分為兩類:內(nèi)源性因素和外源性因素。細胞內(nèi)源性DNA損傷包括復(fù)制錯誤和內(nèi)源性化學(xué)反應(yīng)引起的自發(fā)性基因毒性損傷。外源又可分為物理因素和化學(xué)因素。
3. DNA損傷的類型
每個細胞在其生命周期中都必須不斷對抗內(nèi)源性和外源性DNA損傷 [1]。
3.1 內(nèi)源性DNA損傷
據(jù)估計,每個細胞每天要經(jīng)歷近10萬次自發(fā)的DNA損傷 [2]。
3.1.1 DNA復(fù)制錯誤
以DNA為模板進行堿基配對的DNA復(fù)制是一項嚴格而精確的工作,但并非完全沒有錯誤。堿基配對錯誤的頻率約為10-1-10-2。在DNA復(fù)制酶的作用下,堿基配對錯誤的頻率降低到約10-5-10-6。如果復(fù)制過程中出現(xiàn)錯誤的核苷酸,DNA聚合酶也會暫停催化。雖然復(fù)制過程中堿基錯配的概率很低,但仍有一些錯配堿基逃過了校對甚至是MMR機制的檢測。當(dāng)模板受損時,反式損傷合成(TLS)聚合酶的保真度很低,是自發(fā)突變的重要來源。此外,拓撲異構(gòu)酶、尿嘧啶摻入等也會造成錯誤。
雖然大多數(shù)DNA復(fù)制的保真度相當(dāng)高,但有時也會出現(xiàn)錯誤。核苷酸堿基的插入和缺失都有可能發(fā)生。此外,DNA復(fù)制過程中的自發(fā)錯誤可能會導(dǎo)致在新生合成的DNA分子中加入錯誤的核苷酸,造成堿基對不匹配 [3]。
3.1.2 水解DNA損傷
DNA的水解損傷包括單個堿基的脫氨和缺失。各種代謝產(chǎn)物的生化反應(yīng)和過量的活性氧(ROS)都可能導(dǎo)致水解損傷。
● 堿基脫氨
含氨基的含氮堿基會自發(fā)脫氨基,形成C-U、A-I(次黃嘌呤和G-X(黃嘌呤)。有趣的是,單鏈中堿基脫氨基的頻率遠高于雙鏈,因此復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和重組過程中的瞬時單鏈狀態(tài)會加劇這種損傷,并在修復(fù)突變效應(yīng)之前發(fā)生。在所有堿基中,5-甲基胞嘧啶發(fā)生脫氨的頻率最高,生成的G:T堿基對會通過較慢的錯配修復(fù)(MMR)得到糾正。分散的CpG序列很容易受到胞嘧啶-5-甲基轉(zhuǎn)移酶的影響。脊椎動物約有70%-80%的CpG胞嘧啶被甲基化。由其脫氨引起的GC→AT堿基轉(zhuǎn)換占人類遺傳病點突變的三分之一。
● 堿基缺失
DNA堿基缺失又稱AP(嘌呤/近嘧啶)位點,其突變性特別強,如果不及時修復(fù),會抑制轉(zhuǎn)錄。堿基也會丟失。大腸桿菌每代大約丟失一個嘌呤,而哺乳動物細胞每天大約丟失 10,000 個嘌呤。相對而言,嘧啶的 N-糖苷鍵相對穩(wěn)定,丟失的概率僅為嘌呤的1/20。消旋位點不穩(wěn)定,容易發(fā)生β-消除反應(yīng),導(dǎo)致單鏈斷裂(SSB)。
● 堿基同分異構(gòu)
DNA中四種堿基的同分異構(gòu)體均可自發(fā)發(fā)生變化(例如,烯醇堿基和酮堿基之間的相互轉(zhuǎn)化)。這種變化會改變堿基配對之間的氫鍵。腺嘌呤可以與胞嘧啶配對,胸腺嘧啶可以與鳥嘌呤配對,等等。如果這些配對在DNA復(fù)制過程中發(fā)生,就會造成子代DNA序列與親代DNA序列不同的錯誤損傷。堿基具有酮和烯醇結(jié)構(gòu)的自發(fā)同素異形作用,會造成堿基錯配。例如,當(dāng)腺嘌呤形成A=NH結(jié)構(gòu)時,可形成A=C配對;當(dāng)鳥嘌呤形成G-OH結(jié)構(gòu)時,可形成GT三鍵配對。
3.1.3 細胞代謝的內(nèi)源性副產(chǎn)物
活性氧(ROS)也會造成DNA損傷?;钚匝踝杂苫晒魤A基上的雙鍵,引起開環(huán)反應(yīng)等,還可破壞核糖磷酸骨架,造成單鏈斷裂。這與電離輻射類似。據(jù)估計,活性氧在哺乳動物細胞中每小時可造成2300次單鏈斷裂。產(chǎn)生ROS的DNA損傷是最常見的損傷。
3.2 外源性DNA損傷
環(huán)境DNA損傷可由物理或化學(xué)來源產(chǎn)生。
3.2.1 物理因素
常見的物理因素主要包括電離輻射(IR)和太陽紫外線(UV)。
射線、接觸放射性物質(zhì)和使用放射療法進行的醫(yī)療。它可以誘導(dǎo)堿基修飾、鏈間交聯(lián)和DNA鏈斷裂,尤其是雙鏈斷裂(DSB)。此外,紅外線還會誘導(dǎo)形成ROS,從而進一步損傷 DNA。
來自太陽的紫外線會與DNA發(fā)生反應(yīng),主要導(dǎo)致兩個相鄰的嘧啶形成二聚體,阻礙DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。
紅外線包括X射線、伽馬射線、α和β粒子以及中子。日常生活中的紅外線通常來自宇宙輻射和使用X射線或放射治療的醫(yī)療手段。它通過產(chǎn)生DNA斷裂,尤其是雙鏈斷裂(DSB),直接影響DNA結(jié)構(gòu)。紅外線還會導(dǎo)致活性氧(ROS)的形成,從而產(chǎn)生嘌呤/近嘧啶(abasic)位點、單鏈斷裂(SSB)、糖分子修飾和脫氨基加成堿基 [4] [5]。
3.2.2 化學(xué)因素
導(dǎo)致DNA損傷的化學(xué)事件包括水解、接觸活性氧物質(zhì)(ROS)和其他活性代謝物。
作為相對常見的代謝副產(chǎn)物,ROS可導(dǎo)致單鏈和雙鏈斷裂、加成和交聯(lián)。
導(dǎo)致DNA損傷的化學(xué)因素有很多。烷化劑具有活性烷基,可轉(zhuǎn)移到堿基或磷酸上,如硫酸二甲酯、甲磺酸甲酯(MMS)、芥子氣等。鳥嘌呤的O6和N7最容易被烷基化,導(dǎo)致錯配(GT)或脫落。磷酸三酯不穩(wěn)定,容易斷裂。雙官能烷基化劑可導(dǎo)致交聯(lián),被稱為交聯(lián)劑。某些烷化劑如環(huán)磷酰胺(cyclophosphamide)可用于化療。堿基或核苷類似物,如5-氟尿嘧啶(FU)、5-溴尿嘧啶(BrdU)、6-巰基嘌呤等,可競爭性抑制核苷酸合成或結(jié)合核酸造成錯配。亞硝酸鹽可導(dǎo)致堿基脫氨,亞硝胺被氧化后產(chǎn)生烷化劑和自由基。還有一類化學(xué)物質(zhì)叫代謝活化化合物,在肝臟混合功能氧化酶(細胞色素P450)的催化下,形成活性烷化劑或環(huán)氧化物等,與核酸相互作用,引起突變。如芳香胺、多環(huán)芳烴等。苯并芘是致癌性最強的多環(huán)芳烴之一。煙草煙霧中含有大量的芳香胺和多環(huán)芳烴。黃曲霉毒素也是一種代謝活化致癌物,其中黃曲霉毒素B1的作用最強。黃曲霉毒素B1被動擴散到細胞內(nèi)后,經(jīng)P-450復(fù)合物代謝為活性形式的黃曲霉毒素B1-8,9-環(huán)氧化物,然后加入鳥嘌呤N7,使糖苷鍵減弱,導(dǎo)致脫嘌呤。
4. DNA損傷與DNA變異
雖然DNA損傷和DNA突變都是DNA錯誤的一種,但它們之間有很大的不同。DNA損傷是DNA的物理異常,如單鏈和雙鏈斷裂,而突變則是DNA堿基序列的改變。DNA損傷可以被酶識別,因此,如果有多余的信息可供復(fù)制,就可以正確修復(fù)。雖然大多數(shù)DNA損傷可以進行DNA修復(fù),但未修復(fù)的DNA損傷會在復(fù)制細胞中積累,從而導(dǎo)致突變。與DNA損傷不同,DNA突變一旦在兩條DNA鏈上都出現(xiàn)堿基變化,酶就無法識別和修復(fù),從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能和調(diào)節(jié)發(fā)生改變。
DNA損傷和DNA變異的主要區(qū)別在于,DNA損傷是DNA結(jié)構(gòu)的改變,而DNA變異是DNA核苷酸序列的改變。此外,DNA損傷會阻止DNA復(fù)制,而突變則會改變DNA編碼的遺傳信息。DNA損傷和突變是DNA中發(fā)生的一組錯誤。此外,環(huán)境因素以及新陳代謝釋放的化合物都會造成DNA損傷,而突變主要是由于DNA復(fù)制和重組過程中的錯誤造成的。
5. DNA損傷應(yīng)答信號通路
所有活細胞都不可避免地會發(fā)生不同類型和程度的DNA損傷。為了在這些不利條件下存活下來,并將完整的遺傳信息忠實地傳遞給下一代,細胞進化出了一種高度有序和協(xié)調(diào)的機制,即DNA損傷應(yīng)答(DDR),以減輕這些基因毒性應(yīng)激。
DDR是維持基因組完整性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。DDR傳感蛋白可識別受損DNA并啟動一連串信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子(如 ATM、ATR 或 Rad17-RFC 復(fù)合物),從而激活DDR介導(dǎo)因子(如絲氨酸/蘇氨酸激酶 Chk1、Chk2、Cdc25 磷酸酶)。活化的 DDR介質(zhì)可激活特定的蛋白質(zhì)機制,觸發(fā)適當(dāng)?shù)募毎磻?yīng),可能是DNA修復(fù)、細胞周期檢查點激活、誘導(dǎo)細胞凋亡或衰老或病變耐受 [6-9]。這種不同的反應(yīng)取決于細胞類型、損傷程度和其他因素。
圖1. DNA損傷應(yīng)答信號通路
圖片來源:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S156878641830096X
5.1 DNA修復(fù)機制
DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)的激活是DNA損傷應(yīng)答的主要終點。真核細胞表現(xiàn)出多種DNA修復(fù)機制來處理潛在的DNA損傷 [10]。這些修復(fù)途徑的保真度和誘變后果各不相同 [10]。這些機制可感知和識別所有類型的DNA損傷,暫?;蚪M復(fù)制,發(fā)出修復(fù)信號,并糾正或容忍DNA病變 [11]。不同修復(fù)機制之間幾乎沒有冗余。
DNA修復(fù)機制包括直接修復(fù)、堿基切除修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)、雙鏈斷裂修復(fù)和交聯(lián)修復(fù)。
5.1.1 切除修復(fù)機制
切除修復(fù)機制的目標(biāo)是去除大塊DNA加合物和紫外線誘導(dǎo)的光產(chǎn)物、堿基對改變和嘌呤丟失、DNA錯配以及單鏈和雙鏈DNA斷裂。
● 核苷酸切除修復(fù)(NER)
核苷酸切除修復(fù)(NER)是用途最廣的DNA修復(fù)途徑,可修復(fù)多種物理和化學(xué)因素導(dǎo)致的DNA損傷,如紫外線輻射介導(dǎo)的和致癌的DNA化學(xué)加合物。NER可以切除DNA損傷的大片段。它可以修復(fù)DNA損傷的各種形式,包括6-4光產(chǎn)物、環(huán)丁烷嘧啶二聚體和大塊加合物。
● 堿基切除修復(fù)(BER)
堿基切除修復(fù)(BER)是一種特別有助于清除小堿基修飾的機制。它可以修復(fù)氧化、脫氨基、烷基化和消旋單堿基損傷,這些損傷一般不會導(dǎo)致DNA螺旋發(fā)生明顯扭曲。在BER途徑中,DNA糖基化酶檢測并消除受損堿基,形成位點,然后由AP內(nèi)切酶切割,留下一個堿基間隙。DNA聚合酶和DNA連接酶進一步固定該間隙。
5.1.2 錯配修復(fù)(MMR)
MMR途徑可糾正堿基誤配,包括堿基錯配、插入和缺失。該修復(fù)系統(tǒng)有助于識別DNA螺旋扭曲、區(qū)分兩條鏈并消除復(fù)制錯誤。通過糾正躲過復(fù)制聚合酶校對的不常見錯誤,它可將復(fù)制保真度提高100倍以上 [12-14]。
5.1.3 DNA雙鏈斷裂修復(fù)(DSBR)途徑
DNA DSB是最具細胞毒性的DNA損傷。DNA DSB修復(fù)途徑包括同源重組(HR)、DNA末端連接和非同源末端連接(NHEJ)。
● 同源重組(HR)
同源重組是一種精確的修復(fù)途徑,需要同源DNA序列作為修復(fù)模板 [15],僅限于細胞周期的S/G2期 [16]。HR是一個緩慢、復(fù)雜和高度精確的修復(fù)過程,涉及大量酶和蛋白質(zhì)。這一途徑既能修復(fù)單端和雙端斷裂,也能修復(fù)蛋白質(zhì)阻斷的末端。
● 非同源末端連接(NHEJ)
NHEJ 是一種易出錯的修復(fù)途徑,在大多數(shù)哺乳動物細胞中主要用于重新連接DSB。NHEJ的發(fā)生偏好于G0、G1和早期S期 [17-19]。它是哺乳動物細胞在DNA復(fù)制前抵御DSB的第一道防線。與HR相比,NHEJ進展迅速,而且與模板和細胞周期無關(guān)。它通常具有突變性,只能修復(fù)雙端斷裂,不能修復(fù)蛋白質(zhì)阻斷末端。NHEJ涉及斷裂DNA末端的連接,不需要序列同源性。
替代性末端連接(a-EJ)途徑可修復(fù)DNA雙鏈斷裂(DSB),它是通過末端切除產(chǎn)生3'單鏈來啟動的。
5.2 細胞周期停滯和細胞凋亡
如果受損DNA得到及時完全修復(fù),對細胞的影響幾乎微乎其微。未修復(fù)的DNA可能編碼細胞周期所需的蛋白質(zhì),從而導(dǎo)致細胞周期停滯。細胞周期對細胞的生長、增殖和繁殖至關(guān)重要。它最終會影響細胞的生長和存活。如果損傷過度,細胞不再消耗能量來有效修復(fù)損傷,很可能會發(fā)生凋亡或衰老。
6. DNA損傷與疾病
要在細胞中表達功能性信使核糖核酸并最終生成蛋白質(zhì),DNA 序列的準確讀取是不可或缺的。此外,細胞分裂過程中忠實的DNA復(fù)制對于子細胞從母細胞繼承完整的遺傳物質(zhì)至關(guān)重要。因此,由內(nèi)在和內(nèi)部因素引起的細胞DNA的各種改變會產(chǎn)生深遠的生物學(xué)后果。雖然大多數(shù)DNA損傷可以修復(fù),但修復(fù)系統(tǒng)的效率并非百分之百。未修復(fù)的DNA損傷會改變基因表達、抑制細胞分裂或?qū)е录毎劳?[20-22]。DNA 損傷在誘變和致癌過程中也扮演著重要角色。Tomasetti C及其同事發(fā)現(xiàn),在17種癌癥類型中發(fā)現(xiàn)的突變中有三分之二是DNA復(fù)制錯誤造成的 [23]。
有證據(jù)表明,核DNA(編碼大多數(shù)細胞RNA和蛋白質(zhì))和線粒體DNA的損傷與衰老有關(guān) [24]。
細胞DNA損傷也被證明與許多人類疾病的病因和發(fā)展有關(guān),如色素性角化癥、共濟失調(diào)性脊髓側(cè)索硬化癥、布盧姆綜合征和沃納綜合征。
當(dāng)然,突變并不是永久的壞蛋。試想一下,如果DNA的修復(fù)功能足夠完善,能夠修復(fù)所有的DNA損傷,沒有突變的產(chǎn)生,那么就不會有基因的改變,也就不會有進化的原材料。根據(jù)不同的條件,DNA損傷可以是致病性的,也可以是治療性的。
DNA 損傷可導(dǎo)致基因改變,如果涉及控制細胞生長的基因,這些突變可導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。DNA的損傷還可能導(dǎo)致細胞死亡,從而給細胞所在的機體帶來嚴重后果,例如,大腦中不可替代的神經(jīng)元的喪失。受損DNA的積累也被認為是導(dǎo)致衰老的一些原因。
雖然人類基因組DNA的損傷經(jīng)常發(fā)生,但大多數(shù)損傷都能通過各種修復(fù)機制成功修復(fù)。如果DNA病變沒有得到及時修復(fù)或過于嚴重而無法修復(fù),就會引發(fā)一些信號事件,導(dǎo)致三種不同的細胞命運,包括衰老、凋亡或癌變。
7. 與DNA損傷修復(fù)相關(guān)的重組蛋白
DNA修復(fù)涉及許多途徑,其中一些涉及許多蛋白質(zhì)。為了幫助研究DNA損傷和修復(fù),華美生物提供了一些相關(guān)的重組蛋白。
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