解析DNA损伤修复与人类健康,细胞为我们的DNA分子提供了完整的修复机制工具箱

我们身体细胞内的 DNA 每日都会由于各种原因而受损,因此可以说细胞间 DNA
修复系统是维持生命的基础,但是对于这个基础机制科学家们并没有完全弄明白。近期来自北卡罗来纳州大学教堂山分校的研究人员利用先进的测序技术,分析澄清了这些修复系统中的关键分子细节,发现了核苷酸切除修复的奥秘。

除了部分病毒外,几乎所有生物体内都含有DNA。在真核细生物细胞中,DNA在细胞核内和线粒体内都存在。DNA在人类的生长发育过程中有着非常重要的作用。它储存了遗传信息,能够让遗传信息在生命物体中代代相传;并且DNA可指导RNA和蛋白质的合成。

我们的细胞为我们的DNA分子提供了完整的修复机制工具箱。三位诺贝尔化学奖得主已经弄明白这些是什么以及它们是如何运作的。Tomas
Lindahl,Paul Modrich和Aziz
Sancar独立发现细胞中的酶如何从遗传分子​​中去除受损的碱基,修复紫外线损伤,并防止假复制。他们的发现构成了许多医学和细胞生物学应用的基础。

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DNA分子聚集在一起,在细胞中呈现双螺旋结构。大多数DNA损伤会影响DNA分子的双螺旋结构。如,碱基本身的化学性质改变,引入的原本没有的化学键或加合物,都可以破坏DNA分子原来的双螺旋结构。DNA分子的螺旋结构会进一步形成超螺旋结构,DNA分子还与蛋白质结合共同行使其生理功能。DNA分子的损伤也可能破坏超螺旋结构和改变DNA与蛋白质的相互作用。有些损伤可以造成DNA不能正常转录成RNA,进而不能翻译成蛋白质,阻断了蛋白质的生成。有些损伤可以阻断DNA复制,细胞可能因此而死亡。关键基因中的DNA损伤,会影响细胞执行其正常功能,并可能形成肿瘤。

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这一研究成果公布在 2 月 6 日的 PNAS 杂志上,文章的通讯作者之一是 2015
年诺贝尔化学奖得主之一 Aziz Sancar 教授,Sancar
教授生于土耳其萨武尔,主要从事 DNA
修复、细胞周期检查点、生物钟方面的研究。他获得诺贝尔奖的原因也就是 DNA
修复研究:他曾花费大量时间分析光解和光激活的机制,对这些机制的探索已有近
20 年时间,直接观察到了光解酶修复胸腺嘧啶二聚体的过程。

DNA损伤与突变不同。DNA损伤指DNA物质异常,如单、双链断裂,8-羟基脱氧鸟苷和多环芳烃加合物。DNA损伤能够被酶识别,有被修复的可能。突变指DNA分子中一个碱基变成另外一个碱基,使DNA序列改变。DNA双链都突变了,酶就不能识别这种DNA分子的改变,也就不能修复。DNA损伤往往可以造成突变。

我们在很大程度上决定了我们的遗传物质,即我们每个细胞中的遗传密码。然而,从受精卵细胞的最初细胞分裂到我们现在的年龄,这种DNA已经走过了漫长的道路:它被复制了数百万次,被有害辐射轰击并受到侵略性分子的攻击。然而,几十年来,我们的遗传物质仍然完好无损。这种耐久性是由于我们的DNA在我们的细胞中不断修复和控制过程。通过整个修复机制工具包,我们的身体确保重要代码保持可读性并正确地从一个细胞传递到其后代。这些机制是什么,今年的诺贝尔奖获得者Tomas
Lindahl,

为了研究细胞中的切除修复,Sancar 等人研发出了一种新技术:XR-seq,XR-seq
能帮助研究人员分离和测序切除修复过程中从基因组剪切下来的小片段加合物损伤DNA。了解俄这些
DNA 片段的序列,将有助于更精确的定位它们在基因组中的位置。

细胞内环境因素和正常的代谢过程都会导致DNA受损,每天每个细胞中受损伤的DNA分子可达1,000-1,000,000。但人类基因组大约有6亿个碱基(3亿个碱基对),这些错误分子只占0.000165%。

在20世纪70年代早期,当在斯德哥尔摩的卡罗林斯卡研究所工作时,托马斯·林达尔发现DNA并不像20世纪60年代后期那样完全稳定和不变。相反,遗传分子也容易受到损害和腐烂过程的影响

而且速度相当快。但为什么我们细胞中的DNA几十年来一直保持稳定?Lindahl猜测细胞中必须有酶来修复造成的损伤。事实上,在实验中,他发现了这些酶中的一种:他发现了一种细菌蛋白,只要碱基胞嘧啶失去氨基,就会变得活跃,从而改变代码。它从双链中切割出半衰变的碱基,这样可以保留互补基础,并且可以添加新的基础。1974年,Lindahl发表了第一个所谓的碱基切除修复机制的例子。在接下来的20年左右的时间里,他发现了更多的例子,甚至在1996年成功地在试管中复制了这种DNA修复过程。

但是这种机制无法弥补DNA损伤,包括紫外线辐射对我们遗传物质的破坏。如何解决这些问题,土耳其研究员Aziz
Sancar已经解密了。在20世纪70年代早期,他注意到一些关于细菌的奇怪之处:当他们致命地射击它们时,一旦暴露在蓝光下,它们就会恢复。在他在美国桑贾尔耶鲁大学时就在绳索上的这个奇怪的修复机制:事实证明,细菌细胞具有酶光解酶可以暴露于光修复DNA的紫外线的伤害。不久之后,Sancar在他的作品中发现了第二组酶,即使在黑暗中也能修复这种损伤。

对于这种核苷酸切除修复,酶切割DNA链到UV损伤的左侧和右侧,并去除大约十二个碱基对的片段。然后DNA聚合酶通过将互补碱基掺入第二链来补充间隙。1983年,Sancar发布了这种修复机制,它也适用于我们的细胞。

采用这种方法,研究人员于 2015 年首次构建出了人类基因组的 UV 修复图,并于
2016
年生成了抗癌顺铂药物对整个人类基因组的损伤和修复图谱。现在他们又利用
XR-seq
技术回答了关于大肠杆菌中损伤修复的一些基础性问题,这将有助于研发新型抗生素药物。

DNA损伤主要有两种来源:

Mfd

在这项研究中,研究人员发现一种蛋白:Mfd
在细菌的切除修复中扮演了独特的重要作用。

文章作者之一 Christopher P. Selby 博士表示,“我认为 Mfd
是大肠杆菌中最有趣的蛋白”。因为当一个细菌基因的 DNA 被转录成
RNA,转录分子机制会被卡在一个庞大的加合物上,此时 Mfd
就会出现,招募其它修复蛋白,修复 DNA 损伤部分。这种由 Mfd
引导的过程被称为转录偶联修复(transcription-coupled
repair,生物通译),这种修复在活性转录的 DNA 链上具有更高的修复速率。

研究人员利用 XR-seq 方法来分析大肠杆菌细菌细胞中 UV
诱导的损伤,发现了正常细胞中转录偶联修复的明确证据,但在缺失 Mfd
的细胞中无法进行这种修复,这证实了 Mfd 的这一过程中的关键作用。

1.内源性损伤。包括,正常生理代谢(特别是氧化脱氨过程)产生的副产物——活性氧引起的损伤,这属于自发性突变;还有,DNA复制过程中产生的错误;

UvrD

在进一步的实验中,研究人员又发现另外一个切除修复蛋白:UvrD
在大肠杆菌中帮助清除受损 DNA 切除片段的新作用。

如果缺失 UvrD,切下的 DNA 片段就会仍然与染色体 DNA
结合,使得细胞废物处理酶难以将其切碎降解。同时切除该链的修复蛋白也会绑定在上面,接着切除受损
DNA 的其它位点。UvrD 的工作就是从染色体 DNA 中解开这些损坏和丢弃的 DNA
片段,以便可以快速进入下一步处理,相关的修复蛋白也可以继续进行新一轮的修复。

下一步研究人员计划在细菌细胞,人类和其他哺乳动物细胞中利用 XR-seq
技术解析切除修复的详细过程。

2.外源性损伤。外界因素,如来自太阳照射的紫外线(UV,200-300nm);X射线,g射线;水解或受热分解;某些植物性毒素;人造诱变化学物质,特别是芳香族化合物,可插入DNA链中;癌症化疗和放射疗法;病毒。