DNA修复维系生命

杨欣

北京时间10月7日17点45分，诺贝尔化学奖评审委员会在瑞典皇家科学院宣布，将2015年诺贝尔化学奖授予瑞典科学家托马斯·林达尔、美国科学家保罗·莫德里奇和土耳其科学家阿齐兹·桑卡，表彰他们发现了细胞修复自身DNA的机制，为治疗癌症等疾病提供了丰富的手段和广阔的前景。

三种修复机制

林达尔是瑞典人，1938年1月28日出生于瑞典斯德哥尔摩，1967年从斯德哥尔摩卡罗林斯卡医学院获得医学博士学位，随后去美国普林斯顿大学和洛克菲勒大学做博士后研究。移居英国后，林达尔于1981年加入帝国癌症研究基金会（现在的英国癌症研究中心），成为研究人员。目前任职于英国弗朗西斯-克里克研究所。他是挪威科学和文学研究院的成员，2010年，林达尔因对RNA修复的研究被授予英国皇家学会皇家勋章。

莫德里奇是美国人，1973年从美国斯坦福大学获得博士学位，目前为美国杜克大学教授及美国霍华德-休斯医学研究所研究人员。莫德里奇因对DNA（基因）修复研究而闻名。

桑卡是土耳其人（拥有土耳其、美国双重国籍），1946年生于土耳其萨武尔，在土耳其的伊斯坦布尔大学获得学士学位，并在C·斯坦·鲁伯特博士指导下获得博士学位。桑卡专门从事DNA修复、细胞周期、生物时钟方面的研究，于2005年当选为美国科学院院士，目前是美国北卡罗来纳大学教堂山分校生物化学教授。

DNA是细胞中的核心部分，蕴藏着生物体的所有遗传密码，所有的遗传密码也称基因组。一个细胞中的DNA链抽取出来并拉直，其长度可超过2米。人体内的细胞高达数十亿个，所有细胞的DNA加起来的长度，可以往返地球和太阳之间250次。

人体细胞的DNA每天都受到来自外界的猛烈攻击，如化学反应、宇宙射线和温度变化等，这些因素都会对DNA造成破坏。但是，人体的基因并没有因此变成一堆乱码和降解。相反，大多数时候，它们一直循规守纪地在人体内保持完整状态。原因在于，人和生物体都有一系列DNA修复系统和机制。

三位科学家因为各自阐明了与人类相关的若干DNA修复过程和机制而获得今年的诺贝尔化学奖。他们的研究成果涉及三种不同的DNA修复机制。

林达尔的发现称为碱基切除修复，即细胞里有一种蛋白质（糖苷水解酶），专门寻找和识别一种特定的DNA碱基错误，然后把它从DNA链上切掉，从而修复DNA。

莫德里奇的发现称为DNA错配修复，指的是，细胞会对DNA链进行标记，一些特定的蛋白质（酶）可以凭借这种标记来判断哪条是旧有的、哪条是新加的（错误的）DNA链，从而知道该去修复谁。

桑卡的发现称为核苷酸切除修复，指的是细菌的DNA在致命的紫外线照射之后，如果再用可见蓝光照射，能死里逃生，复苏过来。把细菌DNA从紫外线的损伤中解救出来的功臣是光解酶，这个过程被称为核苷酸切除修复。

这三种发现都阐明了DNA修复的某种机理，其中，任何一种DNA修复出现问题，都会导致疾病，如患癌。碱基切除修复如果有缺陷，会增加患肺癌的风险;DNA错配修复如果出现问题，会增加患遗传性结肠癌的风险;核苷酸切除修复如果遭受先天性损伤，会让人对紫外线极为敏感，并且在阳光下暴露后会发展为皮肤癌。

此外，DNA修复系统缺失还会导致神经退行性疾病，如老年性痴呆，以及衰老等。

林达尔的贡献

20世纪60年代的科学界认为，保持稳定是蕴藏大量遗传信息的DNA的一种特性，否则，人和其他生物就不会有“龙生龙凤生凤”的繁衍，而且体现为后代与亲代几乎一模一样的相貌和性格特征。

但是，当时正在美国普林斯顿大学进行博士后研究的林达尔对DNA的稳定性提出质疑，这是他从自己研究的主要对象RNA进行试验后产生的疑问，因为在试验中会对RNA加热，结果导致RNA分子迅速降解。那么，如果DNA受到外界因素，如加热和辐射的影响，是否会造成DNA的不稳定呢？

几年后他返回瑞典卡罗林斯卡医学院，开始寻找这一问题的答案。一些直接试验结果证明他的怀疑是正确的，DNA虽然有较强的稳定性，但仍然会发生降解和损害。林达尔估计，每天基因组都会发生数千次的损伤，这与生命能持续存在并完好无缺的现象直接相悖。这也意味着，DNA可能存在着一套修复DNA（基因）缺陷的系统。

为解开这个谜团，林达尔采用细菌为研究对象，寻找能修复损伤DNA的物质。细菌的DNA与人类一样，也是由腺嘌呤脱氧核苷酸（A）、鸟嘌呤脱氧核苷酸（G）、胞嘧啶脱氧核苷酸（C）和胸腺嘧啶脱氧核苷酸（T）四种核苷酸组成。DNA分子中最薄弱的核苷酸是胞嘧啶，容易失去氨基并导致遗传信息发生改变。

在正常的DNA双螺旋结构中，胞嘧啶C和鸟嘌呤G配对，但是，失去氨基的胞嘧啶C会变成另一种碱基尿嘧啶（U），后者会与腺嘌呤A配对，这是一种碱基错配。如果这种错配持续存在，就会在DNA复制后发生基因突变。由此，林达尔认为，细胞必须有修复这种变化的方法，例如，有某种修复碱基错配的酶。

经过多年的潜心研究，林达尔于1974年发现了尿嘧啶糖苷水解酶，这是第一种DNA损伤修复系统，该酶可将尿嘧啶U切除，随后还有第二种酶将剩余的戊糖和碱基切除，最后在DNA聚合酶催化下根据模板鸟嘌呤G的信息重新修复为胞嘧啶C。

从1980年到1996年，林达尔在体外试验中确定了人体内DNA碱基切除修复机制。

这项研究开启了DNA修复机制研究的大门，并让人们明白，DNA会以一定的速率发生衰变，但是碱基切除修复机制会不断抵消DNA的受损。

莫德里奇的贡献

莫德里奇在美国新墨西哥州一个小城长大。1963年，莫德里奇17岁时，做生物老师的父亲告诉他DNA很重要，那一年恰恰是沃森-克里克因发现DNA双螺旋结构获诺贝尔生理学或医学奖的第二年。父亲对他说：“你应该去学一点DNA的知识。”

此后，莫德里奇不仅学了生物，而且一直以DNA为研究对象。在斯坦福大学读博士和做博士后研究，以及在杜克大学担任助理教授期间，莫德里奇始终与DNA酶打交道，使用DNA连接酶、DNA聚合酶以及限制性内切酶开展研究。20世纪70年代末，莫德里奇的研究兴趣转向Dam甲基化酶，获得了重大发现。

Dam甲基化酶负责DNA与甲基成分结合，是由大肠杆菌染色体编码的两种甲基化酶之一，是Dam基因的产物，可将GATC序列中的腺嘌呤转变成6-甲基腺嘌呤。莫德里奇的研究表明，这种甲基成分可以充当标签，帮助特定限制性内切酶在DNA分子链正确位置上切割。在此之前，美国哈佛大学分子生物学家梅塞尔森发现一种带数个DNA碱基错误配对的细菌病毒在其碱基配对中，原本应该在腺嘌呤A对面的胸腺嘧啶T被改成了胞嘧啶C。他用这些病毒去感染细菌时，这些被感染的细菌竟然修复了这些配对错误。

因此，梅塞尔森在1976年提出一种猜想，细菌存在某种修复机制，能在DNA复制时改正错误。莫德里奇与梅塞尔森合作，共同创造了一种带有数个DNA配对错误的病毒。莫德里奇的Dam甲基化酶用来为DNA链添加

甲基。当用这些病毒感染细菌之后，受感染的细菌改正了那些缺乏甲基的DNA分子链。这表明，DNA配对错误的修复是一种自然过程，能够在DNA进行复制时修正其中的错误，其原理是利用未甲基化的DNA作为参考链，识别存在配对错误的DNA链。

DNA错配修复需要区分母链和子链，做到只切除子链上错误的核苷酸，而不会切除母链上本来就正常的核苷酸，然后通过DNA聚合酶Ⅲ和DNA连接酶的作用，合成正确配对的双链DNA。DNA错配修复是一个系统在起作用。这个系统主要包括错配矫正酶、DNA聚合酶Ⅲ和DNA连接酶等多种蛋白参与，步骤分为启始、切除和修复。

莫德里奇在1989年发表了相关工作的结果，这些结果只是对细菌研究获得。莫德里奇也对人体内的这一修复机制进行了研究。人体细胞的DNA进行复制时，这种配对错误修正机制也起到了关键性的作用，但目前仍然不清楚机体是如何识别最初版本的那条染色体链的，即原核生物是依靠甲基化程度来判断哪条是新合成链，而真核生物是如何识别错配单链的机制尚未明确。

桑卡的贡献

桑卡的贡献是发现了核苷酸切除修复机制。桑卡在伊斯坦布尔大学学医学时就对生命分子非常痴迷。毕业后，桑卡在土耳其做了几年医生，1973年桑卡发现，致命剂量紫外线照射细菌使其死亡后，蓝色光可让这些细菌复活。这引起了他的极大兴趣，并决定解开这个谜，由此他选择了学生物化学。

由于美国科学家鲁伯特曾研究过这一现象，桑卡决定到达拉斯的鲁伯特实验室学习。1976年，桑卡完成了他的博士论文，该论文解开了细菌复活的一些奥秘。桑卡克隆了紫外线DNA损伤的修复酶基因：光修复酶，并成功地用细菌进行了表达。但是，这一研究并没有引起人们太多关注。

博士毕业后，桑卡先后三次申请博士后研究职位都未成功。后来，桑卡在美国耶鲁大学医学院找到一份实验室技术员的工作，得以继续开展对DNA修复机制的研究，正是在这里桑卡完成了其获得诺贝尔化学奖的工作。

美国耶鲁大学的研究人员早在20世纪60年代中期就开始对细菌在黑暗中具有某种修复DNA的机制进行了研究。他们借助三种对紫外线敏感度不同的细菌，确定了uvrA、uvrB和uvrC三种蛋白不同的基因变异。加上桑卡的研究，人们知道细菌拥有两种紫外线损伤DNA的修复机制，一种是光修复酶，需要依靠光照发生作用。另一种是在黑暗中起作用的三种蛋白（酶）。

桑卡对这种黑暗中起作用的修复机制也充满极大兴趣。1983年，他成功确定了与这三种不同基因变异相关的修复酶，即鉴定出了黑暗修复系统的三种蛋白（uvrA、uvrB和uvrC），并阐明了DNA损伤修复机制。

原来紫外线照射可使相邻两个胸腺嘧啶碱基TT自身以共价相连形成二聚体，黑暗修复系统的三种蛋白可特异性识别DNA损伤部位，并

能分别在受破坏DNA片段的上方和下方链条上进行两次切割，切除整个受破坏的12～13个核苷酸DNA片段。切除造成的切口在DNA聚合酶的催化下最终完全修复。这就是核苷酸切除修复。

DNA修复的应用

除了碱基切除修复机制、配对错误修复机制和核苷酸切除修复机制外，细胞还存在着其他一些DNA修复机制，用以维护DNA序列的稳定，并维护生命。这些修复系统随时修正数以千计因太阳照射、吸烟或其他有害物质摄入导致的DNA损坏，对抗每次细胞分裂时出现的DNA自发性突变倾向，在复制阶段，需要修正数以千计的错误配对。一旦离开这些修复机制，人的基因组将会崩溃。只要有错误发生，遗传信息就可能发生变化，患癌的风险也会明显上升。

人之所以患各种癌症一定与这些DNA修复机制被关闭或失效有关。一旦这些DNA修复机制失去作用，癌细胞DNA就会变得不稳定，这也是为何癌细胞时常会发生变异并变得对化疗耐受的原因。同时，癌细胞甚至比健康细胞有更强大的修复能力。一旦离开了修复机制，癌细胞的DNA会遭受严重破坏，细胞也会死亡。

现在研究人员正在尝试利用这一点开发抗御癌症的药物。促进癌细胞已受损的修复机制加速崩溃或抑制癌细胞的修复机制，就能减缓甚至阻止癌细胞生长。

根据DNA修复机理研发的药物最为著名的是聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶（PARP）抑制剂，这既是当今癌症治疗的一个新靶点，也是利用DNA修复原理形成的一种新化疗方法（化学药物）。由于PARP参与DNA修复和转录调控，因此不仅在调节细胞存活和凋亡过程中具有关键作用，而且也是肿瘤发展和炎症发生过程中的主要转录因子。PARP在碱基切除修复的DNA单链缺口（SSBs）修复中具有关键作用，因此，抑制其活性能够增强放疗和DNA损伤类化疗药物的效果。

大量试验表明PARP抑制剂既可作为放化疗增敏剂使用，也可单独使用，可选择性杀伤DNA修复缺陷的肿瘤细胞，如BRCA1和BRCA2缺陷的乳腺癌细胞。PARP抑制剂通过抑制癌细胞DNA损伤修复、促进癌细胞发生凋亡，从而增强放疗以及烷化剂和铂类药物化疗的疗效。

除了可提高化疗药的疗效外，PARP抑制剂作为单药对BRCA突变的患者也有效。BRCA突变的患者基因重组功能已经缺失，再通过PARP抑制剂抑制癌细胞DNA的修复，则可以加速癌细胞死亡。另外，PARP抑制剂不仅对BRCA1或BRCA2突变产生作用，也可能与许多还未发现的基因突变存在协同杀伤癌细胞的作用。

在DNA修复机理的启示下，如今已有10多种PARP抑制剂在临床使用或进行临床试验。未来，这方面的新药还会层出不穷地产生。当然，从医药史的角度看，PARP抑制剂一类新药可以称为新型DNA药物，是人类的第三次药物革命。第一次药物革命是20世纪30年代至60年代，以阿司匹林、青霉素为代表;第二次药物革命是20世纪70年代到20世纪末，许多至今畅销的药物，如抗癌的化疗药物都是在这一时期发明的。第三次药物革命产生的DNA药物则已跨入精准医疗的门槛。

【责任编辑】张田勘