放射肿瘤学/放射生物学/DNA损伤应答
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DNA损伤应答
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- 据估计，哺乳动物细胞每天会经历超过 100,000 次DNA 损伤。这些损伤来自复制错误、碱基化学降解、活性氧物质损伤和电离辐射。
- 细胞已经发展出针对每种类型的损伤的特定 DNA 修复途径，并且可能取决于损伤发生的细胞周期阶段。
- DNA 损伤最初由传感器蛋白 MRN 和/或 Ku70/80 识别。
- 这些蛋白激活效应分子，主要是针对双链损伤的 ATM，或者在没有 ATM 的情况下激活 DNA-PKcs。ATR 针对单链损伤被激活。
- ATM 通过以下几个步骤协调 DNA 损伤应答 (DDR):
- 组蛋白 H2AX 损伤灶形成
- DNA 修复机制激活 (NHEJ 或 HR)
- 细胞周期检查点激活
- 启动凋亡
- DNA 损伤，特别是双链断裂 (DSB) 的形式，似乎在辐射诱导的细胞死亡中发挥关键作用。然而，重要的是要记住，DSB 也作为正常细胞过程的一部分发生（例如，DNA 复制/复制叉停滞、程序性重排 V(D)J、减数分裂），因此存在修复这些损伤的机制。
- 辐射照射后，损伤应答蛋白通过定位到 DNA 双链断裂 (DSB) 位点，在几分钟内启动 DNA 修复。确切的顺序尚未确定，但似乎有 3 对属于 PIKK 激酶家族的传感器，影响超过 700 种蛋白。
- MRN -> ATM
- Ku70-Ku80 -> DNA-PKcs
- ATRIP -> ATR
- 多项证据表明，Mre11-Rad50-Nbs1 复合体 (MRN) 是能够感知 DSB 并开始处理修复的主要蛋白之一。
- 似乎通过内切酶和外切酶活性，在该过程中产生了短的单链 DNA 寡核苷酸。
- 这些 ssDNA 寡核苷酸的积累似乎构成了正在进行的 DSB 修复的信号，并诱导 ATM 活性。然而，仅有 ssDNA 寡核苷酸的存在似乎不足以激活 ATM；可能需要 dsDNA 端的存在才能激活 ATM。
- ATM 在损伤发生后 60 秒内可在 DNA 损伤位点检测到，并持续存在长达 4 个小时。
- ATM (共济失调毛细血管扩张症突变基因) 是一种激酶，通过磷酸化作用产生多个下游效应。
- ATM 激活取决于辐射剂量，以响应辐射诱导的 DNA 损伤水平的增加。剂量 <0.3 Gy 仅弱激活 ATM，而剂量 >0.5 Gy 产生最大的 ATM 激活。
- 作为第一步，ATM 自身磷酸化以形成活性单体形式。
- 激活的 ATM 会影响参与 DNA 修复、细胞周期控制 (G1/S、S/G2、G2/M) 和凋亡的多个靶标（超过 30 个）。
- 当 NBS1（MRN 的一部分）发生突变（例如，在奈梅亨脆性综合征 中）时，ATM 无法启动损伤应答。
- 遗传综合征：共济失调毛细血管扩张症 (AT)
- 在缺乏 ATM 的细胞中，DNA 感知和 H2AX 的磷酸化可以通过 DNA-PKcs 途径发生。
- 该途径在具有 ATM 的细胞中处于非活性状态（无论其是否发挥作用）。
- DNA-PKcs 被 Ku70-Ku80 复合体激活，该复合体直接与 DSB 结合。
- DNA-PKcs 的正常功能是非同源末端连接 (NHEJ)。
- 最后，ATR 也在修复过程中发挥作用。
- ATR 通常在 DNA 复制过程中识别单链断裂和其他损伤。它也可能识别 DSB 后未修复的 DNA 损伤（α 成分）。
- 然而，ATR 可以在 MRN-ATM 复合体开始 DSB 处理后被激活。
- 遗传综合征：由于 ATR 是细胞存活的必需蛋白，因此不存在遗传综合征。
- PIKK 家族成员（ATM、ATR、DNA-PKcs、mTOR）
- 以非活性二聚体形式存在
- 在识别 DNA 损伤时自身磷酸化
- 激活后，以单体形式存在
- 然后，它磷酸化多个靶标
- DNA 修复：H2AX、NBS1/MRE11（MRN 的一部分）、BRCA1、FANCD2、SMC1（染色体结构维持）
- 细胞周期阻滞：p53（G1 检查点）、Chk1/2（S 和早期 G2 检查点）、MDC1（与 H2AX 共定位）
- 凋亡：p53、SMAC
- 所有三种效应因子（ATM、DNA-PKcs 和 ATR）能够激活组蛋白 H2AX，以放大和标记受 DNA 损伤影响的染色质区域。
- 该事件受蛋白 MDC1 调节，该蛋白在断裂的两侧双向扩散 H2AX 磷酸化。MDC1 也在激活 Chk1 和进一步的 S 期和 G2/M 期检查点中发挥作用。
- H2AX 磷酸化被认为会改变染色质结构，允许 DNA 修复机制进入，并充当修复蛋白的停泊位点。
- 响应 DNA 损伤，存在 4 个不同的细胞周期检查点。
- 负责 G1、S 和早期 G2 检查点的基因突变似乎不会增加对单次照射的辐射敏感性（但由于延迟和重新分配可能会影响多次照射的敏感性）。
- 负责晚期 G2 的基因突变似乎会导致辐射敏感性，可能是由于允许进入有丝分裂并导致有丝分裂死亡。
- 存在剂量率效应，因此在非常低的剂量率（<0.01 G/min）下，检查点激活最少，可能是由于 ATM 激活最少。在约 1 Gy/hr 时，仅触发晚期 G2 检查点，导致细胞在 G2/M 接口处重新分配（并导致逆剂量率效应）。在更高的剂量率下，细胞周期进程在所有检查点处被抑制。
- 请参阅细胞周期页面。
| 位置 | 效应因子 | 下游蛋白 | 作用 |
|---|---|---|---|
| G1 | ATM | p53、p21、CyclinD-cdk4、Rb、E2F | 阻止进入 S 期 |
| S | ATM | Chk2、CDC25A、CDC45 | 减缓 S 期的进程 |
| 早期 G2 | ATM | Chk1/Chk2、CDC25A/C | 将细胞阻滞在 G2 期 |
| 晚期 G2/M | ATR | Chk1、CDC25A/C | 在 M 期之前阻滞细胞 |
- 细胞启动细胞分裂的决定
- 在循环细胞中，由 E2F 转录因子的激活控制
- 在 G0/G1 中，E2F 被 Rb 蛋白结合并失活
- DNA 损伤激活 ATM，ATM 随后通过磷酸化 p53 并使其与 MDM2 解离来激活 p53。
- p53 反过来上调 p21。
- p21 抑制 cyclinD-CDK4/6 和 cyclinE-CDK2。
- 因此，这些细胞周期蛋白不会磷酸化 Rb 蛋白，Rb 蛋白仍然与 E2F 结合，从而使其失活。
- 当细胞决定进入细胞周期时，细胞周期蛋白 D/E 会磷酸化 Rb，然后 Rb 与 E2F 解离。
- E2F 是一种 DNA 转录因子，它会触发进入 S 期。
- 不会增加辐射敏感性。
- 总结：损伤 - ATM 上调 - p53 上调 - p21 上调 - CDK4/6 和 CDK2 下调 - Rb 下调 - E2F 下调 - 不会进入 S 期
- 该检查点的重要性在于阻止复制叉在 DNA 链断裂处进行复制。
- CDK2 激酶必须保持去磷酸化状态，才能使 S 期继续进行。
- DNA 损伤激活 ATM，ATM 随后激活 Chk2 激酶（以及较小程度的 Chk1）。
- Chk1/2 激酶然后磷酸化 CDC25A，导致其降解。
- 这会增加磷酸化 CDK2 激酶的水平，并且由于无法将 CDC45 加载到染色质上，因此减缓了 S 期的进程。
- 缺少 CDC 45 会阻止 DNA 聚合酶 α 的募集和随后的复制。
- 似乎也存在从 ATM 通过 NBS1 到 CDC45 的途径，BRCA1/BRCA2 和 FANC-D2 也在该过程中发挥一定作用。
- 不会增加辐射敏感性。
- 总结：损伤 - ATM 上调 - Chk2 上调 - CDC25A 下调 - CDK2 磷酸化 - CDC45 下调 - S 期进程减缓
- 由低剂量（<1 Gy）辐射激活
- CDK1 激酶必须保持去磷酸化状态才能继续 G2
- DNA 损伤激活 ATM 和 ATR，进而激活 Chk1 和 Chk2 激酶。还存在一条从 ATR 通过 BRCA1 到 Chk1 的通路
- Chk1/2 激酶随后磷酸化 CDC25C，导致其降解。14-3-3 蛋白在该过程中起作用
- CDC25C 的降解导致磷酸化 CyclinB/CDK1 激酶水平升高，从而阻断细胞进入 G2。CyclinB/CDK1 激酶必须去磷酸化才能进入有丝分裂
- 不会增加辐射敏感性。
- 总结：损伤 - ATM 上调 - Chk1/Chk2 上调 - CDC25C 下调 - CDK1 磷酸化 - 无有丝分裂
- 所有检查点中调控最严格的
- 对辐射剂量高度依赖，其影响可能持续数小时
- 独立于 ATM，由 ATR 触发
- 不同的触发因素表明，与 ATM 监测的双链断裂不同，检查的是不同类型的 DNA 损伤。它可能是修复尝试后残留的 DNA 损伤
- DNA 损伤激活 ATR，进而激活 Chk1 激酶
- Chk1/2 激酶随后磷酸化 CDC25C，导致其降解。14-3-3 蛋白在该过程中起作用
- CDC25C 的降解导致磷酸化 CyclinB/CDK1 激酶水平升高，从而阻断细胞进入 G2。CyclinB/CDK1 激酶必须去磷酸化才能进入有丝分裂
- 增加辐射敏感性，部分原因是不能在细胞分裂前修复所有受损 DNA 的细胞会经历更高比例的有丝分裂死亡
- p53 通常通过 MDM2 泛素化途径在产生后立即被降解
- 在细胞压力或 DNA 损伤时，p53 被激活（磷酸化和乙酰化）并免受降解
- 作为“基因组守护者”的激活 p53 具有多种作用
- p53 在细胞周期停滞 + DNA 损伤修复与凋亡之间的选择尚不清楚
- 请参阅 DNA 修复页面