范可尼贫血途径在肿瘤治疗及细胞衰老中的作用机制

瞿加牧 叶定德 李国强

铂类药物的主要作用机制是以DNA为靶点，通过共价链连接2条DNA链，形成DNA链间交联(ICL)以抑制DNA的复制和转录，其中，染色体畸变是ICL的常见表现[1-3]。范可尼贫血(FA)是一种罕见的遗传基因组不稳定疾病，临床表现为发育性疾病、骨髓衰竭综合征、染色体脆性综合征以及癌症易感等。FA不同亚型病人的细胞均对DNA交联剂高度敏感。同时，FA缺陷也会加速细胞衰老，使病人表现出早衰症状[4]。本综述简述了FA途径在细胞衰老以及肿瘤治疗抗性中的作用，希望通过了解FA途径，为老年癌症病人的治疗带来更多的思路。

1 FA及FA途径

1.1 FA FA家族目前已经被鉴定的大概包括19种FA互补基团以及数种FA相关基因(FAPP24/FAPP100/FAPP20)[5-7]，他们均参与了ICL的损伤修复过程。FA病人的平均寿命为30～40岁左右，这些病人在十几到二十岁时就面临着健康个体在六十岁左右时才会发生的疾病，例如贫血、骨髓增生异常综合征、急性髓性白血病等[8]。此外，FA病人还表现出严重的造血干细胞功能受损，这可能是由于长期DNA损伤，引发p53/p21介导的造血干细胞检查点细胞周期停滞所导致的，而敲除p53可以有效地改善这一类型的造血干细胞功能障碍[9]。

1.2 FA途径

1.2.1 FA互补组蛋白M(FANCM)：FANCM是FA途径的起始蛋白，其主要结合FAAP24以及组蛋白折叠蛋白1和2(MHF1、MHF2)[10]。FANCM/FAPP24复合物能有效激活FA途径，促进同源重组(HR)启动，并抑制其他修复途径[11]。FANCM基因编码的多结构域马达蛋白是保守的DEAH型DNA依赖性ATP酶和双链DNA(dsDNA)转位酶家族的一部分，这使得FANCM可以介导DNA链的分支迁移、D-环解离以及复制叉逆转[12-13]。此外，FANCM蛋白的2个结构域MM1、MM2可以分别结合并募集FA核心复合物及Bloom综合征解螺旋酶(BLM)复合物。

1.2.2 FA核心复合物：FA核心复合物是由9种FA蛋白及其相关蛋白组装而成的对称异源三聚体结构(FANCB-FANCL-FAAP100、FANCC-FANCE-FANCF和FANCA-FANCG-FAAP20)，其主要作用是对FANCI和FANCD2进行单泛素化，并通过某些未知的机制改变FANCI-FANCD2(ID2)的构象，从而形成稳定的异二聚体复合物ID2[14-15]。

1.2.3 ID2复合物：ID2复合物是FA途径的核心。ID2复合物定位于DNA损伤位点，单泛素化后可以迅速募集如ID2复合物相关核酸酶1(FAN1)、着色性干皮病蛋白F(XPF)-切除修复交叉互补基因1(ERCC1)、FANCP/结构特异性核酸内切酶亚基(SLX4)等蛋白来打开ICL交联叉，同时募集包括FANCS/乳腺癌易感蛋白1(BRCA1)、FANCU/X射线修复交叉互补蛋白2(XRCC2)以及FANCO/Rad51重组酶(RAD51C)等其余FA亚基蛋白，进一步促进HR修复的启动和进行[16-17]。

那么，ID2又是如何与DNA结合的呢？这里引入了“DNA夹”构象的概念[18]。初始的ID2复合物形状类似开放槽，且无法进行泛素化，这种ID2复合物本身结构中包含了一个足以容纳dsDNA的内腔，内腔中有一个由几个带正电荷的残基组成的突起结构，被定义为“Tower域”[19]。ID2复合物通过该结构域的静电作用与dsDNA结合，两端延长，伸出“臂结构”环绕dsDNA，这样的构象改变暴露出了UBE2T泛素结合位点[18]。

单泛素化后的ID2复合物可以募集多种FA互补基团或相关蛋白,定位于ICL交联部位发挥作用。其中，FANCQ/XPF-ERCC1、FANCP/SLX4-SLX1、FAN1等蛋白均参与了ICL脱钩反应，即ICL发生两侧切割事件，使ICL脱钩出2条单链[20]，其中一条短单链通过跨损伤修复(TLS)恢复DNA模板后[21]，再通过HR修复形成一条新的dsDNA。另一条长单链ssDNA迅速被三聚体ssDNA结合蛋白复合物(RPA复合物)包裹[22]。当修复完成时，这些修复因子会被及时地降解处理，否则其持续存在也会导致遗传信息的破坏及不适当的行为[23]。最后，人类泛素特异性蛋白酶1(USP1)-USP1相关因子(UAF1)复合物特异性地去泛素化ID2复合物，完成FA途径循环。

2 FA途径在肿瘤化学药物治疗(化疗)和放射疗法(放疗)中的作用

目前，化疗和放疗都是癌症主要的治疗方法，这些方法主要依赖于诱导DNA损伤的产生，但是这些DNA损伤往往都会被DNA损伤修复途径识别并修复，进而产生不同程度的治疗抗性[24]。DNA修复中最重要的两种修复途径分别是快速但易出错的非同源末端链接(NHEJ)和缓慢但无错的HR[25]。FA途径缺陷的细胞在DNA修复方面具有显著缺陷。大多数FA基因表达缺陷的癌症病人表现出对化疗和放疗更高的敏感性，也显示了更好的治疗预后。

2.1 FA途径在化疗中的作用 在化疗中，合成致死(即利用失调的DNA损伤反应基因)是癌症治疗中最具有前景的方法之一。当FA途径缺陷时，合并使用共济失调毛细血管扩张突变激酶(ATM)抑制剂可对肿瘤细胞产生综合致死性[24]。这可能是由于FA途径缺陷的细胞会停滞DNA复制叉并不断积累，直至产生DNA双链断裂(DSB)，从而激活依赖于ATM的DNA损伤修复反应，此时应用ATM抑制剂可以消除替代途径，从而导致细胞凋亡[26]。聚腺苷二磷酸核糖聚合酶抑制剂(PARPi)常被用于抗癌治疗，它通过有效抑制依赖于BRCA1的HR途径，进而影响肿瘤生长。但是，当BRCA1介导的HR在受到PARPi的作用后，FANCW/REV7可以被募集到DNA损伤病灶，阻断HR并促进NHEJ途径的转换，最终产生对PARPi的抗性。

2.2 FA途径在放疗中的作用 在电离辐射(IR)治疗中，FANCU/XRCC2已被证实可以增加放疗抗性。IR主要通过诱导DSB来杀死肿瘤细胞，而XRCC2可以通过修复DSB和防止细胞凋亡来增加癌细胞的抗辐射性[25]。

3 FA途径在细胞衰老中的作用

人体细胞不能完全复制端粒，每一次的细胞分裂都会损失一定数量的碱基对，当端粒的长度低于某个限度时，其会失去保护性功能，引发染色体降解融合，最终导致细胞衰老或凋亡[27]。端粒的长度以及缩短速度都已经成为当前预测老年人疾病与健康的具有重要意义的生物学指标。目前已有多种FA蛋白(包括FANCA、FANCL、FANCC、FANCD2、FANCM、FANCJ、FANCP等)被鉴定参与了端粒的维持、缩短、再重组过程[8, 28-29]。

FANCD2在维持端粒长度中发挥了重要作用。与正常细胞相比，FANCD2缺失的原代细胞表现出端粒过早缩短、端粒重组增加以及从端粒碎片到长串延伸端粒的异常端粒结构变化[30]。Domingues-Silva等[28]研究发现，端粒延长替代型(alternative lenthening of telomeres，ALT)细胞(一种缺乏端粒酶的肿瘤细胞)通过调节BLM的作用以及抑制端粒R环的积累使细胞存活，而ALT细胞中的FANCM可以限制端粒的复制压力和损伤，因此，FANCM失活可以导致ALT细胞凋亡。FANCC病人往往表现出较早的骨髓衰竭症状及血液恶性肿瘤的易感性[29]。FANCC在没有端粒酶的情况下，可以维持骨髓细胞的短端粒，而FANCC缺失则会加速细胞中的端粒缩短，并促进由短端粒引起的端粒重组。

4 总结

自从第一种FA基因被发现以来，至今已近30年，目前已被鉴定的FA基因已有20余种，但是关于其在DNA损伤修复反应中的作用机制还有许多仍未阐明。有学者在进行TCGA数据库的挖掘时，发现肝癌组织中的FA基因表达水平远高于癌旁组织，这可能与癌组织中更加旺盛的代谢、生长、增殖等有关。FA途径的异常表达也可能是癌细胞很快会对诱导DNA交联的药物产生耐药性的一大原因。而且FA是一种慢性进展的疾病，短期抑制FA表达可能不会造成严重的损伤，因此，抑制FA途径可能是一个潜在的抗癌治疗靶点。但是，FA的肿瘤易感性可能会使治疗后的病人更容易发生二次癌症，包括乳腺癌、泌尿系统肿瘤，或是导致细胞加速衰老并引发造血功能障碍。所以，老年人的抗癌治疗可能需要一种动态的复合型治疗方案。

总之，系统地认识FA途径可以给癌症的治疗带来更多的治疗思路和机会。FA途径也可能成为癌症治疗和预后的潜在靶点之一。