DNA 损伤修复与癌症

回天鹤

（中国人民大学附属中学朝阳学校，北京 100028）

内源的化学物质以及外源的环境因子持续威胁着细胞遗传物质的稳定性，产生各种各样的DNA损伤。有统计表明，人类单个细胞每天大约会发生60，000个DNA损伤事件，他们可能来自于紫外线、电离辐射、植物毒素、有毒试剂以及活性氧自由基等细胞内外物理化学因素的影响。这些损伤如果不被及时修复，很可能会干扰细胞发挥正常的功能，例如肿瘤抑制因子等关键基因发生损伤会大大增加细胞癌变的可能性。所幸的是，生物细胞进化出了多样化的DNA损伤修复途径来清除这些损伤。本文将整合近年来DNA损伤修复领域的研究成果，简要介绍DNA损伤修复的基本途径并探讨其与癌症发生的内在联系，举例剖析常用抗癌药物在细胞内的作用机理，最后展望DNA损伤修复与癌症治疗等生物医学领域未来的发展方向。

1 DNA损伤的直接逆转

细胞受紫外线B的照射其DNA会发生光化学反应使相邻嘧啶碱基生成不可逆的化学交联，即嘧啶二聚体。嘧啶二聚体会改变DNA的双螺旋结构，抑制DNA聚合酶并阻止细胞DNA的正常复制。细菌内有一类光裂解酶，他们能够在可见光甚至高压氧的诱导下直接与损伤位点结合，切断化学交联产生的共价键，逆转损伤并恢复原先的正常碱基。除此之外，人的细胞内存在一类被称为甲基鸟嘌呤甲基转移酶（MGMT）的蛋白，他们可以特异性地直接修复DNA受到烷基化试剂进攻产生的氧-6-甲基鸟嘌呤损伤。值得一提的是，MGMT的功能异常与多种癌症的发生有密切的联系，目前已知有44%到59%的恶性胶质瘤与该基因启动子区域的高甲基化有关，另外还有超过40%的结直肠癌患者检测到了该基因的缺陷[1]。

2 单链DNA损伤的修复

2.1 碱基切除修复途径

碱基切除修复（BER）主要负责清除细胞内的氧化性DNA碱基损伤，例如8-氧鸟嘌呤（8-oxoG）以及胞嘧啶脱氨产物尿嘧啶。BER中最关键的一步是由DNA糖基化酶来完成，他们够特异性识别一种或者一类DNA损伤并切除损伤碱基产生脱碱基位点，脱碱基位点由下游的修复蛋白包括核酸内切酶、DNA聚合酶以及连接酶通过合作经多步反应清除，最终产生正常的DNA。8-氧鸟嘌呤是比较有代表性的一种氧化性DNA损伤，它的含量大约能够占到静止状态下细胞内所有氧化性DNA损伤的5%。8-氧鸟嘌呤在DNA复制时会干扰正常的沃森-克里克碱基配对，产生G：C到T：A的碱基突变。这一损伤在哺乳动物细胞内主要由8-氧鸟嘌呤糖基化酶（hOGG1）负责清除，细菌内也有对应的同源蛋白称为MutM。有实验证据显示，hOGG1缺陷会大大增加细胞内8-氧鸟嘌呤的含量。更重要的是，包括食管癌、星形细胞瘤以及胃癌在内的多种癌症均发现了hOGG1基因表达的下调，预示着该基因在清除细胞内8-氧鸟嘌呤损伤中发挥着不可替代的作用。

2.2 核苷酸切除修复途径

核苷酸切除修复途径（NER）主要清除体积大且能使DNA双螺旋结构扭曲的损伤，比如紫外线照射产生的嘧啶二聚体。NER的特点是在损伤位点被特异性识别之后，其上下游大约12至24个核苷酸会被内切酶切除，之后再重新合成正确的新链。NER途径主要由一类被称为XP家族的蛋白负责完成，其中XPA与XPB在损伤识别中起重要作用，XPG有核酸酶活性，主要负责切割损伤的DNA链。此外，NER途径也与癌症发生息息相关，NER途径异常的着色性干皮病患者比正常人患皮肤癌的概率要高出1000倍；此外XPD的多态性也被报道与非小细胞肺癌的发病几率联系密切。

2.3 错配修复途径

错配修复（MMR）在细胞内扮演着错误校正的角色，主要修复DNA合成后产生的错误碱基配对，如G/T或者A/C配对。MMR途径高度保守，从原核生物到真核生物的细胞内均有分布。MMR途径的功能异常已被报道和多种癌症相关，例如星形细胞瘤患者中MLH1和MLH3表达量出现了明显下调。此外，超过10%的结直肠癌以及大约70%的非小细胞肺癌患者均表现出MLH1基因的缺陷。

3 双链DNA损伤的修复

双链DNA损伤修复途径主要包括同源重组（HR）和非同源末端接合（NHEJ）两类。同源重组主要依靠同源染色体来指导损伤DNA的校正，而非同源末端接合则直接将断开的两条DNA链连接到一起来实现修复目的。同源重组中的关键蛋白BRCA1和BRCA2是两个重要的抑癌因子，当这两个蛋白缺失时，细胞内同源重组的速率会大大降低且会增加细胞对电离辐射的敏感性，最终导致乳腺癌以及卵巢癌的发病几率升高[2]。另一方面，非同源末端接合这一修复途径的正常运转也尤为重要，相关基因的缺陷会导致毛细血管扩张性运动失调以及范可尼贫血等疾病。

4 常用抗肿瘤药物的作用机理

顺铂（Cis-platin）是目前广泛使用的治疗实体瘤最有效的抗癌药物之一。它的作用机制就是深入细胞内与DNA分子中的鸟嘌呤N7位形成共价交联，产生双链内以及双链之间的GG与AG交联损伤，从而干扰细胞的DNA复制以及转录偶联的核苷酸切除修复途径[3]。与之作用机理类似的还有曲贝替定（Yondelis），它是与鸟嘌呤N2位形成共价交联，并产生DNA双螺旋结构的扭曲，该药主要作用于软组织瘤，能明显延长患者寿命。此外，氟尿苷（Floxuridine）作为抗代谢物也是常用的抗肿瘤药物，它能够特异性结合并抑制胸苷酸合成酶活性，使得细胞内尿苷三磷酸含量升高，从而更多的尿嘧啶掺入到基因组DNA内，最终使DNA分子上的产生大量的碱基突变并引起细胞死亡。氟尿苷主要作用于结直肠癌，也可用于部分肾癌以及胃癌患者。

5 讨论与展望

DNA损伤修复途径维持着细胞遗传物质的稳定，其功能的正常运转对于细胞来说至关重要。目前来看，当细胞内一种或多种修复途径缺陷时，往往会增加细胞发生癌变的风险。对于DNA损伤修复这一方向，包括新蛋白的鉴定以及结构功能解析、修复途径的完善等依然是未来生命科学领域的热点。此外，依托于基础理论的建立，未来新的作用靶点鉴定以及特异性抗癌药物的开发也将是生物医学领域的主要方向。

[1] 孙敬芬,周平坤,吴德昌.DNA修复与人类疾病研究进展[J].癌变畸变 突变,2002,14(4)∶261-265.

[2] 乜全民,毛 青,邱永明,林盈盈.DNA损伤修复与胶质瘤的放、化疗抵抗[J].中华神经外科疾病研究杂志,2014,13(4)∶376-378.

[3] 林 莉,刘晓晴,宋三泰.DNA损伤修复与铂类耐药研究进展[J].中国肿瘤,2006,15(1)∶29-31.