DNA错配修复与癌症的发生及治疗

生物物理学报第二十二卷第一期二!!六年二月

ＡＣＴＡＢＩＯＰＨＹＳＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．２２Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２００６

收稿日期：２００５－０９－１６

基金项目：国家自然科学基金项目（３０５０００９７）通讯作者：张先恩，电话：（０１０）６４８８８４６４，

Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｌｊ＠ｓｕｎ５．ｉｂｐ．ａｃ．ｃｎ

０引言

大量研究表明，癌症是由基因突变引起的，基因突变可由致癌剂引起，也可由ＤＮＡ代谢过程中产生的碱基错配引起［１］。为了确保遗传物质的完整和稳定，细胞有许多防止基因突变的系统，其中包括切除修复、直接修复、重组修复和错配修复（ｍｉｓｍａｔｃｈｒｅｐａｉｒ，ＭＭＲ）。ＭＭＲ系统不仅通过矫正在ＤＮＡ重组和复制过程中产生的碱基错配而保持基因组的稳定性，而且通过诱导ＤＮＡ损伤细胞的凋亡而消除由突变细胞生长形成的癌变［２］。目前关于ＭＭＲ系统的研究越来越受到学者的关注，对人类ＭＭＲ系统及其与癌症发生、发展的相关研究也不断深入。本文将主要对ＭＭＲ与癌症发生、发展及治疗相关的研究做一综述。

１ＭＭＲ系统

目前研究较为透彻的ＭＭＲ系统为大肠杆菌的甲基定向错配修复。这个系统主要包括ＭｕｔＳ、ＭｕｔＬ、ＭｕｔＨ等修复蛋白，ＤＮＡ聚合酶Ⅲ和ＤＮＡ连接酶等１１种蛋白［３，４］。ＭｕｔＳ蛋白是ＭＭＲ系统中关键的点识别成分，它首先识别错配或未配对碱基并与之结合，然后ＭｕｔＬ蛋白参与形成复合体“ＭｕｔＬ－ＭｕｔＳ－ＤＮＡ”，从而可以增加ＭｕｔＳ－ＤＮＡ复合体的稳定性，形成的复合体并能进一步激活ＭｕｔＨ的核酸内切酶活性，在错配位点附近ｄ（ＧＡＴＣ）序列处将无甲基化的一股ＤＮＡ新链切割。

然后核酸外切酶在解螺旋酶（ＤＮＡｈｅｌｉｃａｓｅＩＩ，ＵｖｒＤ）及单链结合蛋白（ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔｒａｎｄｅｄｂｉｎｄｉｎｇｐｒｏｔｅｉｎ，ＳＳＢ）的协助下，将无甲基化的这一股ＤＮＡ链从ｄ（ＧＡＴＣ）位点至错配位点整段去除。最后，ＤＮＡ聚合酶Ⅲ及ＤＮＡ连接酶根据模板链的序列填补新链被切除的部分，包括错配或未配对的碱基，从而完成整个错配修复过程［５，６］。

真核生物及人类细胞中也含有与大肠杆菌中类似的ＭＭＲ系统［７］。与大肠杆菌甲基定向错配修复功能相似，人类ＭＭＲ系统也能有效地修复碱基和碱基错配及碱基的插入或缺失。但是，人类ＭＭＲ系统有更强的修复能力，它能有效修复ＣＣ碱基错配和７－１６碱基的插入或缺失。大肠杆菌与人类ＭＭＲ系统的底物特异性、组成成分的功能和修复机制的相似使人们对人类错配修复途径的认识更加深入。

人类细胞中的ＤＮＡ错配修复主要涉及６个修复蛋白，即ｈＭＳＨ２、ｈＭＳＨ３、ｈＭＳＨ６、ｈＭＬＨ１、ｈＭＬＨ３、ｈＰＭＳ１。与大肠杆菌ＭｕｔＳ蛋白类似的二聚体有ｈＭｕｔＳα和ｈＭｕｔＳβ两种，复合物成分分别为ｈＭＳＨ２／ｈＭＳＨ６和ｈＭＳＨ２／ｈＭＳＨ３［８］，前者识别单个碱基错配及一个碱基的缺失／插入错配，后者识别２￣４甚至更多个碱基的缺失／插入错配。可

ＤＮＡ错配修复与癌症的发生及治疗

毕利军，

周亚凤，

张先恩

（中国科学院生物物理研究所－武汉病毒研究所分析病原微生物学联合研究组，生物大分子国家重点实验室和

病毒学国家重点实验室，北京１００１０１）

摘要：ＤＮＡ错配修复是细胞复制后的一种修复机制，具有维持ＤＮＡ复制保真度，控制基因变异的作用。

ＤＮＡ错配修复缺陷使整个基因组不稳定，最终会导致肿瘤和癌症的发生。ＤＮＡ错配修复系统不仅通过矫正在ＤＮＡ重组和复制过程中产生的碱基错配而保持基因组的稳定，而且通过诱导ＤＮＡ损伤细胞的凋亡而消除由突变

细胞生长形成的癌变。错配修复缺陷细胞的抗药性也引起了癌症化疗研究方面的关注。大多数情况下，错配修复健全型细胞对肿瘤化疗药物敏感，而错配修复缺陷细胞却有较高的抗性。ＤＮＡ错配修复系统通过修复和诱导细胞凋亡维护基因组稳定的功能，显示了错配修复途径在癌症生物学和分子医学中的重要性。

关键词：ＤＮＡ错配修复；基因变异；癌症；细胞凋亡；抗药性中图分类号：Ｑ８１

２００６年生物物理学报

见，与识别错配相关的ｈＭＳＨ２蛋白是必需的，而ｈＭＳＨ６和ｈＭＳＨ３的功能则有一定的互补性［９，１０］。人类ＭＭＲ系统的运行与大肠杆菌类似，不同之处在于区分新生链和母链的信号仅仅是新生链中的单链缺口，而不是未甲基化的腺嘌呤。ｈＭＳＨ２蛋白与ｈＭＳＨ６蛋白结合形成的异源二聚体ｈＭｕｔＳα能识别新合成核苷酸链上的Ｇ－Ｔ等碱基错配，并与之结合。ｈＭＬＨ１和ｈＰＭＳ１蛋白结合形成一种称为ｈＭｕｔＬα的异源二聚体，可与结合到ＤＮＡ链上的ｈＭｕｔＳα形成一种暂时性的复合物，从而启动错配修复，切除含有错配的ＤＮＡ片段，并合成新的ＤＮＡ片段以代替被切除的部分，与有关的酶配合，进而完成错配ＤＮＡ链的修复过程［１１］。

当大肠杆菌、真核生物或人类细胞中的ＭＭＲ基因由于某种原因发生突变而造成其错配修复蛋白缺陷或丧失时，就会使细胞失去正常的错配修复功能，从而使得许多突变累积在细胞内，最终导致细胞发生异常病变［１２，１３］。

２错配修复功能缺陷与直肠癌易患

ＭＭＲ基因突变会引起修复功能缺陷，从而产生遗传不稳定性，导致肿瘤和癌症的易患。目前研究较为深入的是错配修复功能缺陷与直肠癌发生的关系。已有研究报道人类ＤＮＡ错配修复ｈＭＳＨ２、ｈＭＬＨ和ｈＰＭＳ１等基因突变与直肠癌的发生相关［１４］。尽管研究者很早就认为ＭＭＲ系统能保持基因组的稳定性，但直到１９９３年才发现错配修复功能缺陷与遗传性非息肉型直肠癌（ｈｅｒｅｄｉｔａｒｙｎｏｎ－ｐｏｌｙｐｏｓｉｓｃｏｌｏｒｅｃｔａｌｃａｎｃｅｒ，ＨＮＰＣＣ）和一系列散发性直肠癌的发生相关。

２．１ＨＮＰＣＣ及散发性直肠癌的微卫星不稳定性癌症微卫星不稳定性指的是与正常细胞相比，癌症细胞中微卫星长度的改变。研究表明，癌症微卫星不稳定性与ＤＮＡ错配修复功能缺陷密切相关。基因连锁分析发现导致ＨＮＰＣＣ发生的分子基础是在２号染色体的Ｐ１５－１６上［１５］，Ｖｏｇｅｌｓｔｅｉｎ和ｃｈａｐｅｌｌｅｌ领导的研究组使用微卫星标记物研究了在２号染色体的Ｐ１５－１６位点上是否有等位基因的丧失。结果表明，在ＨＮＰＣＣ的Ｐ１５－１６位点没有等位基因的丢失，然而在被检测的１４种肿瘤中发现有１１种的核苷酸重复序列中存在有插入或缺失突变。另外，在一系列的散发性直肠癌中也发现有类似现象，但发生率较低。总之，在ＨＮＰＣＣ和散发性直肠癌中的微卫星不稳定性是遍布整个基因组的现象，并且可能是导致癌症发生的普遍机制。２．２错配修复功能缺陷是ＨＮＰＣＣ的遗传基础由于ＨＮＰＣＣ细胞的突变足迹与错配修复功能缺陷细胞类似，癌症研究者、ＭＭＲ系统研究领域的遗传学家和生物化学家都非常关注直肠癌中微卫星不稳定性的鉴定。Ｐｅｔｅｓ等［１６］检查了被敲除单个或两个错配修复基因ＭＳＨ２、ＭＬＨ１或ＰＭＳ１的酵母中多个ＧＴ区域的稳定性，发现所有突变体（单突变或双突变）的２￣４个重复插入或缺失的不稳定性提高了１００￣７００倍，此结果也表明了ＨＮＰＣＣ与错配修复缺陷的关系。Ｋｏｌｏｄｎｅｒ和Ｖｏｇｅｌｓｔｅｉｎ等［１７，１８］发现人类ＭＭＲ基因同源物并确定了它们与ＨＮＰＣＣ家族的关系。他们利用细菌ＭｕｔＳ和酵母ＭＳＨ蛋白的高度保守区的简并引物扩增克隆了ｈＭＳＨ２基因，并定位其在二号染色体的Ｐ臂上。Ｕｍａｒ等［１９］发现ＨＮＰＣＣ和散发性直肠癌细胞提取物的错配修复能力是完全缺陷的，同时也证明了错配修复功能缺陷是ＨＮＰＣＣ的遗传基础。

２．３ＭＭＲ基因产物能恢复直肠癌细胞的错配修复功能

ＨＮＰＣＣ和散发性肿瘤细胞系提取物的生化分析表明这些细胞是错配修复功能缺陷的，经进一步体外鉴定是ｈＭｕｔＬα或ｈＭｕｔＳα缺陷的。实验证明纯化的ｈＭｕｔＳα或ｈＭｕｔＬα分别能够使ｈＭＳＨ２／ｈＭＳＨ６或ｈＭＬＨ１／ｈＰＭＳ２缺陷的直肠癌细胞核提取物恢复错配修复功能［２０］。

Ｂｏｌａｎｄ等［２１］报道，携带有ｈＭＬＨ１野生基因的人类３号染色体转移到ｈＭＬＨ１基因缺陷的直肠癌细胞系能使其恢复错配修复功能。同样，含有ｈＭＳＨ２／ｈＭＳＨ６基因的人类２号染色体也使ｈＭＳＨ２或ｈＭＳＨ６缺陷的肿瘤细胞系恢复了错配修复功能。通过引入相应的ＭＭＲ基因也实现了ｈＰＭＳ２、ｈＭＬＨ１或ｈＭＳＨ６缺陷细胞系错配修复功能的恢复，并且被转染的基因或染色体也能够使宿主细胞的单一重复序列稳定。这些研究进一步证实了ＭＭＲ系统在保持基因组稳定中的重要性，也显示了对ＨＮＰＣＣ基因治疗的潜力。

２．４表观遗传变化导致错配修复功能缺陷

ＭＭＲ基因突变与ＨＮＰＣＣ及一系列散发性直肠癌的发生相关。然而，大部分散发性直肠癌中并没有鉴定出ＭＭＲ基因突变，暗示了在这些病例中可能存在不同的致病机制。

Ｋａｎｅ等［２２］发现ｈＭＬＨ１基因启动子的超甲基化

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