DNA损伤反应与DNA的修复.docx

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1、DNA损伤反应与DNA的修复目录图表目录11.正文22.参考文献:19图表目录图1真核生物的四种DNA修复类型。ProgNeurobioL 20112图2DNA损伤修复需要代谢支持。Front Oncol. 20183图3 DNA损伤反应调控细胞命运。Cancer Biol Ther. 20154图4三种DDR激酶的结构。Mol Cell. 20175图5 DDR的募集和激活。Mol Cell. 20176图 6 DNAPK 参与 NHEJ 修复过程。Mol Cell. 20176图7 ATM和ATR是DDR途径的主要换能器。Cold Spring Harb PerspectBiol. 201

2、37图 8 ATM 对 DSBR 的调控。Mol Cell. 20178图9用于选择DSB修复途径的53BP1BRCA1网络。J BioIChem. 2018 Jul6;293(27):10502-105119图 10 NHEJ 与其它双链断裂修复。J Biol Chem. 2018 Jul 6; 293(27):10512 - 1052310图11ATM 通过 CHK2 调节细胞状态。EurJ Pharmacol. 200910图12ATR 的多步骤激活。Cold Spring Harb PerspectBiol. 201311图13ATR 募集与 CHK1 激活。Mol Cell. 201

3、712图14DDR 信号网络。Pharmacol Ther. 201413图15 DNA损伤修复中涉及的主要代谢途径。Front Oncol. 201814图16参与DNA损伤反应的磷酸酶。IntJ Mol Sci. 202015图17BER 过程。Nucleic Acids Res. 201316图18NER 过程。Nucleic Acids Res. 201317图19线粒体 DNA 的修复。Oxid Med CellLongev. 2012181.正文DNA损伤的后果很严重，所以生物进化出了各种修复手段，针对不同类型的损伤。真核生物的DNA修复主要有4种类型：核甘酸切除修复(NER)、碱

4、基切除修复(BER)、错配修复(MMR)和双链断裂修复(DSBR)。Damaging agentDNA lesionRepair Pathway UV-light Polycylic aromatichydrocarbons X-rays Oxygen radicals Alkylating agents Spontaneous 6-4 photoproduct Cyclobutane pyrimi-dine dimer Bulky adduct Abasic site Oxidised,deaminated andalkylated bases Nucleotide excisionrepa

5、ir (NER) Base excision repair(BER)另一方面，修复会涉及DNA合成、染色质重塑等过程，需要足够的核昔酸、还原力、甲基和乙酰基供体等，所以这个调控机制还要负责启动代谢重编程，以提供代谢方面的支持。Metabolic regulation of nucleotide poolinfluences DNA repair and replication Double Strand Break(a) Chromatin remodelingMetabolic regulation of methyl- andacetyl- group donors impact DNAf

6、olding and remodeling应，根据损伤程度决定细胞命运。如果损伤严重到难以修复，细胞会进入凋亡甚至坏死；如果损伤轻微并可修复，细胞继续存活并启动修复程序。Therapy(DNA damageCell survivalCell death模凯中;怒K-I,-, t3图3 DNA损伤反应调控细胞命运。Cancer Biol Ther. 2015DDR从两个方面对需要修复的细胞进行调整：一方面通过激活DNA损伤检查点阻止细胞进入有丝分裂期，直至修复完成；另一方面则激活并协调各种修复途径，以及诱导代谢重编程。一般认为，DDR中起主导作用的是三个PI3K相关激酶(PIKK)家族的激酶：D

7、NA依赖性蛋白激酶(DNA-PK)、毛细血管扩张性共济失调症突变激酶(ATM),以及ATM和Rad3相关激酶(ATR)。S1981FATCB.图4三种DDR激酶的结构。Mol Cell. 2017DNA-PK和ATM主要参与DSB(双链断裂)修复，而ATR参与多种DNA损伤的修复，特别是与DNA复制相关的损伤。ATR的多功能性使其对于复制细胞的生存能力至关重要。DNA-PK发现于1985年，1993年有人意识到它可能在体内被DNA双链断裂(DSB)激活。后来在肿瘤细胞和修复缺陷小鼠中的一系列实验证明DNA-PK对于DSB修复中的非同源末端连接(NHEJ)途径非常重要。DNA-PK本身并不能识别

8、损伤部位，它需要一种辅助的蛋白因子Ku80。其实DDR的三个激酶都是被特定的蛋白因子募集至DNA损伤位点的，ATM需要NBS1, ATR 需要 ATRIP。第7页共20页DNA repairCell cycle controlDNA replicationTranscriptional regulationRNA metabolismSenescenceApoptosis:匕 穹必况也出图5 DDR的募集和激活。Mol Cell. 2017Ku异二聚体的结构为篮状，具有容纳dsDNA末端的中心腔。Ku与断裂的双链DNA木端结合，然后募集DNA-PK并激活。DNA-PK结合并稳定DNA末端，随后

9、募集其他NHEJ核心因子，将末端紧密对齐并连接起来。Step 1:DSB inductionStep 2:Ku loadingStep 3:DNA-PKcs recruitment& long-range DNA end synapsisStep 4:Recruitment of downstream NHEJcore factors, DNA-PKcs phosphorylation& short-range DNA-end synapsisStep 5:DNA-end ligation& NHEJ complex disassembly图 6 DNA-PK 参与 NHEJ 修复过程。Mol

10、 Cell. 2017NHEJ将两个断裂的DNA末端连接起来，无需修复模板。尽管NHEJ可能引入错误，但哺乳动物细胞中的大多数DSB是由此途径修复的。只有当NHEJ失效时，细胞才必须使用其他末端连接途径，例如由DNA聚合酶（）介导的末端引入途径，该途径可以引入广泛的突变。在淋巴细胞发育过程中，需要通过基因重排产生抗体多样性，所以抗体和T细胞受体基因座中会产生DSBo这些DSB需要NHEJ进行修复，因此大多数NHEJ相关缺陷会导致哺乳动物严重的免疫缺陷。作为DDR（DNA损伤反应）的3个PIKK之一，DNA-PK在DDR中主要参与sNHEJ过程。而另外两个PIKK, ATM和ATR具有更多功能。

11、SensorsTransducersEffectorsDNA breaks o -。口 ApoptosisSenescerKODNA repair Ojlbcyde arrestDNA fephcationTranscript kwi图 7 ATM 和 ATR 是 DDR 途径的主要换能器。Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013ATM是毛细血管扩张性共济失调症（AT）的突变蛋白，1995年被鉴定出来,并发现其C末端含有PI3K样激酶结构域。AT是一种常染色体隐性遗传病，患者同时还有免疫缺陷，易患恶性肿瘤。后来发现AT患者的细胞对放射线敏感,表明其突变基因与DN

12、A修复相关。在DDR中，ATM负责协调细胞对DSB（双链断裂）的应答,包括DNA修复、检查点激活、凋亡、衰老以及染色质结构改变、转录和mRNA剪接等。它是一种顶端激酶，可以响应DNA损伤而使数百种底物磷酸化。MRN复合体、Tip60、ATR、PP2A和Wip1都可以调节ATM的激活。激活的ATM可以催化CHK2, SMC-1, FANCD2, BRCA1 以及 H2Ax 的激活。DNA受损后，乙酰基转移酶TIP60/KAT5可以识别带有H3K9me3组蛋白标记的裸露核小体，从而被募集到受损的染色质，并被屏蔽去磷酸化而维持激活状态。激活的TIP60可以通过乙酰化(FATC基序中的K3016)来激

13、活ATM。BRCA1REV753BP1H2AXATMTIP60MDC1RNF168RNF8J.-UBC13图 8人丁乂对口581的调控。Mol Cell. 2017MRE11-RAD5O-NBS1(MRN)复合物可以识别并结合DSB,然后募集并激活第9页共20页在S和G2期的DSB修复中，NHEJ约占70%, HR约占30%。细胞对二者的选择机制还有很多争议。现在一般认为53BP1和BRCA1是关键分子，在选择中起着拮抗作用。K15UbH2KlSUb：,艺师维化BRCAl（inactiveRAP8O|ZMYM3 RAP80BRCAl虱（ctive）UHRF图9用于选择DSB修复途径的53BP1

14、-BRCA1网络。J Biol Chern. 2018 Jul6;293(27):10502-10511.HR需要对DSB进行末端切除，以产生3踹ssDNA,然后才能募集重组酶RAD51,以姐妹染色单体作为模板进行修复。所以DNA的末端切除是选择哪条途径的关键。Ku和53BP1对末端具有保护作用，所以会促进NHEJ；而BRCAl可以促进53BP1去磷酸化来减轻53BP1的切除障碍，并重新定位53BP1,从而促进HRo5匚末端切除可以暴露出一些同源序列，使3匚单链DNA稳定退火，从而促进某些不同的修复方式。替代的末端连接(a.EJ)途径利用ADP.核糖聚合酶和DNAPol。等因子，需要2至20 bp的微观同源性。单链退火(SSA)修复途径需要25bp以上的同源性。End protectionEnd resectionA4MHiad H_4d 山 H 23ss 25看.0心化usage (bp)图 10 NHEJ 与其它双链断裂修复。J Bio