放射肿瘤学/放射生物学/DNA修复

辐射诱导的DNA损伤修复

单链损伤修复

• 单链断裂是常见的事件；1 Gy 辐射会导致每个细胞约 1000 个 SSB
• 鉴于此，细胞具有高效的机制来修复 SSB
• 然而，单链断裂对于双链断裂的形成也很重要

1. 电离辐射通常以簇状发生，一些 SSB 会在靠近碱基损伤区域的地方产生。在这些区域，BER 过程中进行的临时链切口可能会与附近的 SSB 结合形成 DSB
2. 如果 SSB 在 S 期发生在复制叉处，复制叉就会崩溃，就会出现单端双链断裂。这些无法通过 NHEJ 修复（因为没有两个 ds 断裂），并且必须尝试通过 HR 修复。这可能在 HR 缺陷的肿瘤（如 BRCA1 和 BRCA2 突变）中是一个问题，PARP 抑制在这些情况下似乎特别有效

碱基切除修复 (BER)

• 负责修复水解和氧化碱基损伤（例如尿嘧啶、8OH-鸟嘌呤、无碱基位点）的主要途径
• 损伤由聚 (ADP-核糖) 聚合酶 (PARP) 识别
• 根据损伤碱基的数量，BER 通过短片段或长片段途径进行
  • 短片段 BER
    • DNA 糖基化酶切除碱基，导致 AP 位点（脱嘌呤位点）。有不同的糖基化酶识别特定的碱基
    • AP 核酸内切酶 (APE-1) 去除糖残基
    • DNA 聚合酶 β替换正确的核苷酸
    • DNA 连接酶 III 和 XRCC1 复合物将游离的 DNA 链连接在一起
  • 长片段 BER
    • DNA 糖基化酶切除碱基，导致 AP 位点（脱嘌呤位点）。有不同的糖基化酶识别特定的碱基
    • AP 核酸内切酶 (APE-1/AP 裂解酶) 去除糖残基
    • PCNA (增殖细胞核抗原) 作为参与后续步骤的蛋白质的衔接子
    • DNA 聚合酶 δ/ε 和 PCNA 复合物复制正确的核苷酸序列，即使在未损伤链下也能复制它
    • 瓣状核酸内切酶 1 (FEN1) 和 PCNA 复合物剪切掉先前未损伤链的正常悬垂
    • DNA 连接酶 I 和 PCNA 复合物将游离的 DNA 链连接在一起
• 缺陷通常不会增加辐射敏感性，但会导致突变率增加。XRCC1 缺陷会增加放射敏感性 (1.7 倍)，但这可能是由于它在 SSB 修复中的作用
• PARP 和 XRCC1 的抑制在 HR 缺陷的肿瘤中是有效的
• 遗传综合征
  • 迄今为止，尚未发现由 BER 突变导致的人类疾病

核苷酸切除修复 (NER)

• 负责修复体积庞大的 DNA 加合物（例如嘧啶二聚体）的主要途径；因此，它对于放射肿瘤学来说并不十分重要
• 所涉及步骤的概述（参见更多内容 维基百科
  • 在 DNA 损伤周围切开；这通常是一个 24-32 bp 长的括号
  • 去除包含加合物的整个区域
  • DNA 修复合成
  • DNA 连接
• 参与的蛋白质包括 XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF 和 XPG（与色素性干皮病患者相关）以及 CSA (ERCC8) 和 CSB (ERCC6)（与科凯恩综合征相关）
• 缺陷通常不会增加辐射敏感性，但会导致对紫外线损伤和诱导体积庞大的加合物的抗癌药物（例如烷化剂）的敏感性增加
• 遗传综合征
  • 色素性干皮病
  • 科凯恩综合征

错配修复

• 负责去除碱基-碱基错配和小插入/缺失错配的途径
• 所涉及步骤的概述
  • 起始：MSH2、MSH3 和 MSH6 包围 DNA；MLH1 和 PSM2
  • 切除和重新合成：聚合酶 δ/ε 和 PCNA 复合物
  • DNA 连接酶 I 连接 DNA
• 缺陷通常不会增加辐射敏感性，但会导致突变率增加
• MLH、MSH 或 PSM 家族的突变会导致微卫星不稳定性（小的碱基插入或缺失）和癌症（例如散发性子宫内膜癌）
• 遗传综合征
  • 遗传性非息肉性结肠癌 (HNPCC).

DNA 损伤绕过

• 当移动的复制叉遇到模板链中的损伤时发生
• 细胞对 DNA 损伤反应的重要组成部分，并有助于类似于 NER 和 HR 的存活率
• Rad 18 与 DNA 结合，Rad 6 泛素化 PCNA
• PCNA 可能会决定是否会发生重组绕过（无错）或跨损伤绕过（易错）。目前尚未完全了解
• SRS2 是一种解旋酶，它阻止进一步的同源重组
• 重组绕过蛋白包括 Rad5、Ubc13、Mms2
• 跨损伤绕过蛋白包括 DNA 聚合酶 ζ 和 η
• 请参见罗斯威尔公园讲座了解更多信息

DNA 烷基化

MGMT

• MGMT (O⁶-甲基鸟嘌呤-DNA 甲基转移酶) 基因位于 10q26 染色体上
• 它编码从鸟嘌呤 O⁶ 位置去除烷基的 DNA 修复蛋白
• MGMT 修复 DNA 会消耗该蛋白质，该蛋白质必须由细胞补充
• O⁶-甲基鸟嘌呤病变是由化学疗法烷化剂诱导的，如果未修复，会引发细胞毒性和凋亡
• 启动子甲基化对 MGMT 基因的表观遗传沉默导致 MGMT 表达丢失和 DNA 修复减少。请参见胶质母细胞瘤章节以了解更多信息

双链损伤修复

• 存在两种主要的 DSB 修复途径
  • 非同源末端连接 (NHEJ)：主要在 G0、G1、S 期早期（姐妹染色单体不存在时）活跃，尽管在 G2/M 期也有活性。连接两个双链断裂。易错
  • 同源重组修复 (HRR)：在 G2/M 期（姐妹染色单体存在时）进行。从未损伤的染色体复制信息。无错
• 单链退火作为 DSB 修复途径的作用尚未明确，但似乎也涉及同源重组

非同源末端连接 (NHEJ)

• 将两个 DSB 末端连接在一起，无需模板
• 保真度低，断裂位点经常发生缺失或插入。虽然这可能会增加突变，但它允许细胞存活。也用于免疫球蛋白 V(D)J 重组
• 从 Ku70/Ku80 异二聚体与游离的 DNA 末端结合，并作为支架开始
• 然后，它募集 DNA-PKcs (PRKDC)，它充当两个游离 DNA 末端之间的桥梁。它还磷酸化参与 DNA 修复和细胞周期控制的许多靶蛋白
• DNA-PKcs 与 Artemis 结合，Artemis 是一种核酸内切酶，用于处理 DNA 末端
• 然后，几种其他酶，包括核酸酶和聚合酶，填补或去除单链悬垂。此过程会导致插入或缺失
• 最后一步是由连接酶 IV 连接两个末端，在 XRCC4 和 XLF 的辅助下
• 对电离辐射的超敏感性
• 遗传综合征
  • DNA-PKcs、Artemis、XLF：放射敏感性严重联合免疫缺陷 (RS-SCID) (PMID 19075392)
  • LIG4（连接酶 IV 基因）：LIG4 综合征，类似于 SCID

同源重组 (HR)

• 使用同源 DNA（复制的 DNA）作为模板来修复损伤
• 可能需要 6 个小时或更长时间才能完成
• 从在断裂两侧创建单链悬垂区域开始，通过切除部分 5' -> 3' 链，MRN 在其中发挥着重要作用
• MRN 复合体 (MRE11-RAD50-NBS1) 握住 DNA 的断裂末端，使 MRE11 附着在断裂的 DNA 末端，而 RAD50 连接断裂，NBS1 激活 ATM 以启动修复
• BRCA1 由 H2AX 招募以调节 MRN 复合体的活性
• 复制蛋白 A (RPA) 作为支架覆盖每个单链悬垂
• RAD51 复合体附着在 ssDNA 周围以创建核蛋白丝，并搜索同源链。参与该过程的 RAD51 有多种版本（例如 RAD51B、RAD51C、RAD51D、XRCC2、XRCC3）
• BRCA2 促进 RAD51 加载到 RPA 覆盖的单链悬垂上
• FANC-D2 调节 BRCA2 的功能，也参与 S 期检查点
• RAD52 和 RAD54 是该过程中 RAD51 的辅助蛋白
• 解旋酶 BLM、TopIIIA、WRN 和其他解旋同源 DNA 双链；RAD54 也可能在该过程中发挥一定作用
• 根据同源模板复制受损链所涉及的聚合酶和连接酶的身份尚不清楚，尽管连接酶 I 可能参与其中
• MMS4 和 MUS81 解决Holliday 连接交叉
• 遗传综合征
  • MRE11:共济失调毛细血管扩张症样疾病 (ATLD)
  • NBS1: 奈梅根断裂综合征 (NBS)
  • RAD50: 奈梅根断裂综合征样疾病 (NBSLD)
  • BLM: 布鲁姆综合征
  • WRN: Werner 综合征
  • FANC-D2: 范可尼贫血 (FA)
  • ATM: 共济失调毛细血管扩张症
  • ATR: ATR-Seckel 综合征

单链退火 (SSA)

• NHEJ 和 HR 之间的过渡过程
• 断裂两侧的每条链都被消化掉，直到在剩余的两条链之间找到同源区域
• 两条单链在该点退火
• 被消化的互补链被重建
• 导致遗传信息丢失
• 请参阅此页面以获取更多详细信息和图片

NHEJ 与 HR

• NHEJ 在细胞周期的所有阶段都发生
• HR 仅针对分裂细胞，因为它发生在 S 和 G2 期
• 在 G1 期，双链 DNA 损伤用 NHEJ 修复，而在 S-G2 期，这两个过程都很活跃，并且相互竞争
• 因此，在缓慢分裂或不分裂的组织（例如脊髓或基质组织）中，主要的修复过程是 NHEJ
• 有一些证据表明 MRN 在这两个过程中都很活跃，并且它可能调节分裂细胞中 NHEJ 和 HR 之间的选择
• 如果其中一个组件有缺陷，会导致各种基因组不稳定疾病和恶性肿瘤增加

交联修复

• 用于 DNA-DNA 和 DNA-蛋白质交联的基因和通路正在研究中
• 该通路依赖于同源重组

DNA 修复文献

• 萨尔兰（德国）；2008 年 PMID 18805648 -- "复杂正常组织中的 DNA 双链断裂重接。" (Rube Ce, Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2008 年 9 月 19 日。[提前出版])
  • 小鼠模型中的 TBI。通过 γH2AX 分析早期反应（小肠）和晚期反应（肺、脑、心脏、肾脏）组织中 DSB 的形成和重接
  • 结果：γH2AX 与剂量的线性剂量相关性。各种正常组织表现出 γH2AX 焦点损失的相同动力学，尽管临床放射反应不同
  • 结论：各种器官中 DSB 重接的相同动力学表明组织特异性放射反应差异独立于 DSB 重接

• 牛津；2008 年 PMID 18571480 -- "两种主要修复通路在复杂双链 DNA 断裂处理中的相互作用。" (Dobbs TA, DNA Repair (Amst). 2008 年 8 月 2 日；7(8):1372-83。提前出版 2008 年 6 月 20 日)
  • 碱基切除修复和 DSB 连接的评估
  • 结论：复杂 DSB 修复效率降低

• 伦敦研究学院；2008 年 PMID 18596698 -- "依赖于 Mre11-Rad50-Nbs1 的 DNA 断裂处理产生刺激 ATM 活性的寡核苷酸。" (Jazayeri A, EMBO J. 2008 年 7 月 3 日。[提前出版])

• 韦恩州立大学；2007 年 PMID 17967316 -- "从低剂量超放射敏感性到放射抗性增加的生存转变独立于 ATM SER1981 活性激活。" (Krueger SA, Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2007 年 11 月 15 日；69(4):1262-71.)
  • ATM 和下游 G2 细胞周期检查点在低剂量超放射敏感性中的作用

• 哈佛大学；2007 年 PMID 17525332 -- "ATM 和 ATR 底物分析揭示了对 DNA 损伤有反应的广泛蛋白网络。" (Matsuoka S, Science. 2007 年 5 月 25 日；316(5828):1160-6.)
  • ATM/ATR 磷酸化蛋白的蛋白质组学分析
  • >900 个受调节位点在 >700 个蛋白质上发现，许多参与 DNA 损伤反应

ERCC1

• 影响由紫外线引起的损伤、诱导体积大的 DNA 加合物的外部化学物质（如顺铂）造成的损伤
• 核苷酸切除修复复合体中的 1/16 个基因
• 与 XPF 形成异二聚体，它在损伤部位的相对位置上切除 5' DNA 链。这是切除过程的最后一步
• PMID 16957145 -- "ERCC1 在非小细胞肺癌和基于顺铂的辅助化疗中的 DNA 修复。" (Olaussen, N Engl J Med. 2006 年 9 月 7 日；355(10):983-91.)
  • 切除的 NSCLC 化疗益处的预后

损伤 - 修复的摘要

• 胸腺嘧啶乙二醇 - BER
• 8-OH-鸟嘌呤 - BER
• 尿素/尿嘧啶 - BER
• 体积大的加合物、嘧啶二聚体 - NER
• 核苷酸错误 - 错配修复
• DNA 双链断裂 - NHEJ 或 HR

评论

• 2007 年 PMID 17512070 -- "共济失调毛细血管扩张症和相关综合征中 DNA 损伤诱导的信号传导。" (Lavin MF, Radiother Oncol. 2007 年 6 月；83(3):231-7。提前出版 2007 年 5 月 23 日)

• 2007 年 PMID 18066093 -- "DNA 双链断裂修复和发育。" (Phillips ER, Oncogene. 2007 年 12 月 10 日；26(56):7799-808.)

• 2002 年 PMID 12016139 -- "感知和修复 DNA 双链断裂。" (Jackson SP, Carcinogenesis. 2002 年 5 月；23(5):687-96.)

• 1998 年 PMID 9806612 -- "监测和信号传导哺乳动物细胞中辐射诱导的损伤。" (Szumiel I, Radiat Res. 1998 年 11 月；150(5 Suppl):S92-101.)