DNA同源重组修复的分子机制

・综述・

作者单位:300192　天津,中国医学科学院放射医学研究所

DNA 同源重组修复的分子机制

王勇　樊飞跃

电离辐射直接造成生物靶分子细胞DNA 的损伤,DNA 的损伤类型很多,其中以DNA 双链断裂(double strand break ,

DS B )最为严重。DNA DS B 的修复较其他类型的DNA 损伤更

加困难,不修复则可能导致染色体断裂和细胞死亡,而修复不当则可能导致染色体缺失、重排、转位和倒置等,从而易于形成肿瘤等疾病[1]。DNA 损伤的不完全修复可导致基因组不稳定,机体细胞为了对抗损伤,发展出多个修复系统来保证基因组的完整性,同源重组修复(hom olog ous recombination

repair ,HRR )是DNA DS B 损伤修复的主要方式,对于保持哺乳

动物细胞的基因组完整性十分重要[2]。重组即遗传物质的重排,同源重组是指发生在同源DNA 序列间的重组,主要是利用DNA 序列间的同源性来识别,而负责配对和重组的蛋白质因子并无碱基序列特异性。

本文综述了国外近来对HRR 分子机制的研究进展,包括引发HRR 的DNA 损伤机制;HRR 的基本修复过程和多条修复通路;HRR 关键分子重要功能的实现机制;HRR 与细胞周期调控等其他事件的相互关系;辐射和HRR 及其与肿瘤之间的关系。

11DNA 损伤的感受识别:HRR 参与的蛋白质有RAD51,RAD51b ,c ,d ,RAD52,RAD54,BRC A1,BRC A2,XRCC2,XRCC3

和MRN 复合物等,另外还需大量起始和损伤应激感受分子,包括AT M ,ATR 和DNA 2PK cs [3]。

细胞在受到电离辐射照射后,一系列重组或修复蛋白及复合物重新定位形成核焦点,以应答DNA 损伤。这些蛋白有γ2H2AX ,AT M ,RAD51,BRC A1,BRC A2,NBS1,RPA 和

MRN ,它们相互作用,完成DNA 损伤信号的接受功能并转导

信号给其他蛋白质,介导并协调包括周期检控点、凋亡、修复的损伤应答。在电离辐射引起的DS B 损伤应答中AT M 是最有可能的感受分子,它属于三磷酸肌醇激酶样激酶(PIKK )家族成员(如AT M 、ATR 、DNA 2PK ),都具有磷酸化谷氨酰氨酸残基后的丝或苏氨酸残基的激酶活性。AT M 以二或多聚体非活化形式储存于未受损伤的细胞,DNA 损伤后AT M 通过自我磷酸化,解离二聚体释放出AT M 对其他分子磷酸化的结构域。活化的AT M 可磷酸化组蛋白H2AX 的139位丝氨酸残基,M DC1ΠNF BD1的俩末端BRCT 结构域,BRC A1的1189,

1542和1524位丝氨酸残基

[4]

。在磷酸化M DC1ΠNF BD1促进

下,DNA 损伤后1～3min ,最先定位于DS B 2Mbp 左右区域内的蛋白之一H2AX 就被磷酸化为γ2H2AX ,磷酸化组蛋白可使染色体的部分结构改变,释放出损伤位点的DNA ,并以其为

装配中心继续募集MRN 、BRC A1等其他因子形成大型复合物来监控基因组的损伤[5]。

21HRR 的起始:在AT M 介导的H2AX 磷酸化波之后,活

化的AT M 与DS B DNA 结合,进而磷酸化结合至γ2H2AX 核焦点的53BP1、NBS1,随后RAD502MRE11复合物由MRE11结合到NBS1,完成定位于DS Bs MRN 复合物的装配,同时BRC A1也结合至损伤位点的53BP1。很可能由具有内切酶和外切酶活性的MRN 复合物发挥5′23′外切酶活性切割DNA 断裂末端,同时MRN 也参与从DS B 到下游DNA 应答蛋白的信号转导。由于NBS1只是3′25′而不是5′23′外切酶活性,故需其他核酸酶的协助切割DNA 来提供DNA 配对和链交换所必需的

3′ssDNA 突出。MRE11定位于细胞核内,Mn 2+

为辅因子,亚基

参与构成RAD50复合物,有单链内切酶活性和双链特异性

3′25′外切酶活性。RAD50有ATPase 活性的头部球状结构域,

使得DNA 结合具有ATP 依赖性,而其高度柔性的分子卷曲尾部,就像是从核心蛋白向外伸出的长臂,可以较大倍率的易化两DS B 末端互寻,进而桥接两个断裂末端[6]。之后由人复制蛋白A (RPA )与突出末端结合以保护并去除其二级结构。RPA 是由14、32和70kDa 3亚基组成稳定的异质三聚体,与ssDNA 结合,是DNA 复制、重组和修复的必需蛋白。

31链侵入和修复性合成:E .coli 的RecA 的真核细胞同

源物RAD51代替RPA 在ssDNA 区域形成核蛋白纤维,催化同源序列的寻找、链配对和链交换。这是一个需要同源序列的RAD51依赖性链侵入机制。RAD51催化重组中的分子间稳定的联会配对包括:RAD51核蛋白纤维同源双螺旋DNA

DS B 被加工的单链末端链侵入成为同源dsDNA ,核蛋白纤维

的ssDNA 和侵入DNA 双螺旋同源链之间的Wats on 2Crick 氢键作用导致随后的双螺旋非互补链的置换,最后形成含有异源双螺旋DNA 的D 环结构重组中间体。随着链交换的深入,重组中间体分岔结构向两边迁移的同时,以侵入中的DS B 加工后的3′末端作为引物,侵入双螺旋的互补链作为模板,进行修复性DNA 合成[7]。

RPA 参与链侵入,通过稳定ssDNA 和被置换来促进RAD51结合ssDNA 。RAD51属于RecA RAD51亚家族,可能定

位于核内,广泛参与普遍的DNA 损伤应答通路,结合单或双链DNA ,可显示DNA 依赖的ATPase 活性,Mg 2+和K +是辅因子[8]。RAD51同系物中RAD51D 的地位特殊,一旦缺失,人和大鼠细胞将不能增殖,小鼠在出生前就会死亡[9]。

参与DS B 的HRR 的RAD52以环状七聚体钳住DNA 链,募集RAD51结合到RPA 覆盖的ssDNA ,结合两者并协助

RAD51形成DNA 交换中间体,可将ssDNA 暴露于蛋白质表