第十一章 DNA損傷反應,自發(fā)突變 誘發(fā)突變 化學物質和射線。 損傷的DNA在其復制或分離前得到修復，因此基因序列上的改變極少會傳遞到子細胞中。 細胞內存在感應蛋白，能夠對基因組進行掃描，探測DNA的損傷，招募特定的酶來進行修復。,不影響細胞功能,如果DNA的大面積損傷并且不容易修復，損傷感應器能觸發(fā)更為廣泛的反應，稱為DNA損傷反應。細胞內信號通路被激活，傳遞損傷信號到各種效應蛋白。 DNA修復酶量增加， 細胞周期調控系統(tǒng)抑制蛋白。 阻斷細胞周期進程。 DNA損傷反應的這條支路有時被稱為DNA損傷檢驗點。如果損傷得以修復，細胞周期阻斷會被去除，細胞增殖繼續(xù)進行。,ATR和ATM是DNA損傷反應核心的蛋白激酶,當損傷不能被修復時，使細胞周期持久停滯或細胞死亡。ATR或ATM 激活，p53觸發(fā)很多靶基因的表達增加，使細胞周期停滯以及凋亡,DNA損傷反應成分的缺失，可導致在人的疾病的發(fā)生。 自發(fā)的DNA損傷也可不可避免地會導致?lián)p傷DNA的積累，最終產生能導致不合適細胞行為的突變。 DNA損傷反應成分的突變，如ATR,ATM,Chk1,Chk2和p53通常導致對DNA損傷敏感性增加，并增加發(fā)展為癌癥的可能性。,第一節(jié) DNA損傷的探測和修復,一、DNA損傷的方式,單鏈斷裂 水解分裂可產生嘌呤核苷酸上堿基的丟失。 代謝副產物和環(huán)境化學物烷化不同部位的DNA堿基。 雙鏈斷裂 離子放射如X-射線 化學物如博來霉素等,雙鏈斷裂特別有害，因為DNA損傷修復裝置能偶然性地將來自不同染色體暴露的DNA末端融合到一起，導致染色體重排。,二、核苷酸損傷的修復,（一）、單鏈斷裂： 未損傷的鏈。 去除DNA損傷部分，并以未損傷的DNA鏈作為模板進行正確地重新合成，而很容易地得到修復。,堿基切除修復 核苷酸切除修復,兩大修復系統(tǒng)：堿基切除修復,能在堿基結構上找到相對微小的變化如脫氨作用和堿基的甲基化并進行修復。 該系統(tǒng)成分能將每一個堿基翻轉出螺旋以檢查是否異常，從而對DNA進行掃描。 當發(fā)現有改變的堿基時，可將其從DNA骨架上去除，然后將無堿基鏈的糖-磷酸骨架去除。 DNA聚合酶以未損傷的鏈作為模板，添加新的核苷酸。DNA鏈上的缺刻由DNA連接酶封閉。,負責探測與修復那些改變雙螺旋構型的大片DNA損傷突變。 包括嘧啶二聚體或DNA被苯并芘等大化學物的烷化。 核苷酸切除修復裝置對DNA進行掃描以搜索大的螺旋彎曲，然后利用核酸酶和DNA解旋酶去除伸出的短損傷鏈。再利用未損傷的鏈作為模板合成新鏈，從而修復原始序列。,兩大修復系統(tǒng)：核苷酸切除修復,當雙鏈斷裂發(fā)生在DNA上時，暴露的末端通常被核酸酶切除，產生單鏈突出。 不精確修復：有些情況下，這些損傷末端可被處理成平端，由非同源末端連接進行重新連接，產生新的DNA分子，它比原始序列缺少好幾個核苷酸。,二、核苷酸損傷的修復：（二）、雙鏈斷裂：,精確修復：同源重組。 來自斷裂DNA的單鏈末端伸入到姊妹染色單體或同源染色體的同源序列。入侵的鏈沿著同源模板延伸，以同源染色體作為斷裂鏈模板進行修復。這樣產生的修復的DNA分子，其上的損傷區(qū)域被來自姊妹染色單體或同源染色體的序列所取代。,二、核苷酸損傷的修復：（二）、雙鏈斷裂：,第二節(jié) DNA損傷反應：ATR和ATM,很多DNA損傷形式可以得到快速修復，不需要觸發(fā)DNA損傷反應，引起細胞周期停滯。 然而有些損傷，范圍特別大或者很難修復如當姊妹染色單體不能進行重組型的雙鏈斷裂修復時，或當雙鏈斷裂伴隨著大范圍的核苷酸改變時。這些情況下，需要靠招募蛋白激酶ATR和ATM中的一個或兩個到損傷位點來啟動特定的損傷反應。這些激酶通過磷酸化各種也聚集在損傷位點的蛋白來激活損傷反應。,DNA -ATR/ATM （感應激酶）-Chk1和Chk2（效應激酶）,ATR：為核苷酸損傷，復制叉停滯，雙鏈斷裂等多種形式的DNA損傷反應所必需 ATM：特定針對雙鏈斷裂的反應。,ATR能特定識別單鏈DNA區(qū)域：突變切除、復制叉停滯等形成單鏈DNA區(qū)域 單鏈DNA與單鏈結合蛋白RPA： RPA包被單鏈DNA ，隨后招募ATR。,一、ATR對于DNA損傷反應是必需的,ATR正常定位于整個核內；放射導致ATR集中于損傷位點處。 細胞用小干擾RNA處理，抑制RPA在細胞內的合成。RPA蛋白的下降阻礙了ATR被招募到DNA損傷位點，從而阻斷損傷反應。,細胞在S期比在G1期哪個對DNA損傷更為敏感？,G1期：某些形式的微小的DNA損傷，如甲基化和UV誘導的嘧啶二聚體，觸發(fā)很小的或不觸發(fā)ATR反應，可能是因為不產生大的單鏈DNA。 S期：這些損傷能夠激活ATR并啟動損傷反應，可能是因為復制叉受到延遲或停滯在損傷位點，形成大范圍的單鏈DNA。,二、ATM與雙鏈斷裂的反應,對DNA雙鏈斷裂的反應通常起始于與MRN復合物的結合，其中心成分Rad50與cohesin和condensin的SMC蛋白相關。 MRN的Nbs1亞單位招募蛋白激酶ATM，使ATM從無活性的二聚體轉化為有活性的自主磷酸化的單體，從而啟動損傷反應。,對雙鏈斷裂的反應在細胞周期中差異很大，主要是由于在某種程度上受到Cdk活性的啟動。 S,G2,M：DNA斷裂不僅可導致ATM反應，同時Cdk活性較高，MRN復合物催化斷裂雙鏈的切除能力增強，產生單鏈突出，誘發(fā)ATR依賴的損傷反應，啟動同源重組修復。 G1：Cdk活性較低，雙鏈斷裂切除受到抑制，從而阻礙ATR反應并抑制重組修復。MRN復合物與其他修復蛋白一起，指導非同源末端連接對雙鏈斷裂進行修復。,二、ATM與雙鏈斷裂的反應,對雙鏈斷裂的反應也存在細胞周期中的差異,第三節(jié) DNA損傷反應：接頭蛋白和Chk1及Chk2,ATR與ATM結合到DNA損傷位點伴隨著很多其他蛋白招募到DNA周圍。這些成分一起形成大的多蛋白復合物，能幫助招募與協(xié)調修復DNA的酶類。 這些復合物也能結合并激活另外兩類蛋白激酶Chk1和Chk2，它們將損傷信號傳遞給細胞周期調控系統(tǒng)成分，導致細胞周期進程延遲。,接頭蛋白和Chk1及Chk2,接頭蛋白9-1-1和Rad17-RFC,9-1-1復合物：三個亞基組成，形成指環(huán)圍繞損傷的DNA，它為ATR介導的DNA損傷反應所必需，似乎也能通過修復蛋白促進損傷處理進程。 Rad17-RFC：滑鉗裝載體的修飾形式，Rad17-RFC為9-1-1復合物裝載到損傷DNA上所必需,芽殖酵母中ATR依賴的切除雙鏈斷裂反應過程起始于ATR-ATRIP結合RPA招募9-1-1復合物裝載在或靠近鄰近5-缺口的DNA結構上。 ATR磷酸化9-1-1復合物成分。接頭蛋白Rad9形成寡聚體與損傷位點結合，結合可能通過與ATR、磷酸化的9-1-1復合物或修飾的組蛋白的相互作用。 ATR磷酸化Rad9，因而在Rad9上形成激酶Chk2的結合位點。隨后Chk2被ATR磷酸化，也能自身磷酸化，導致自身激活并脫離復合物。,接頭蛋白將DNA損傷與Chk1和Chk2的激活相聯(lián)系,第四節(jié)DNA損傷反應：p53的激活,一、p53與細胞增殖的長期抑制,p53是基因調節(jié)蛋白，能夠直接結合到靶基因的啟動子區(qū)，改變它們轉錄起始的速率。 大部分情況下， p53促進靶基因的表達，p53激活的總體結果是增加了抑制細胞周期進程，或促進凋亡的蛋白產量。 同時，p53抑制了一些靶基因的轉錄，尤其是那些編碼抑制凋亡的基因。 因此p53作用的結果是細胞周期停滯或細胞死亡，這要視細胞類型和其他因素而定。,p53在DNA損傷和其他的細胞應激反應中具有核心重要的地位，其激活能引起細胞的死亡。因此p53須經歷非同尋常的一系列大的調節(jié)修飾來確保只有在需要時才存在并具有活性。 當DNA損傷時，大部分的這些修飾增加了其濃度或其內在的基因調節(jié)活性，或兩者兼而有之。,二、p53的主要調節(jié)因子,Mdm2：E3泛素-蛋白連接酶，能泛素化數個靠近p53羧基端的賴氨酸殘基，從而將其在蛋白酶體內降解。在沒有DNA損傷的時候，Mdm2與p53結合在一起，保持其最低的濃度。當DNA損傷發(fā)生時，很多機制降低了Mdm2的活性，因而穩(wěn)定了p53。 P300：組蛋白乙酰轉移酶，在DNA損傷反應中p300與p53結合，通過將組蛋白乙?；a生更開放的染色質結構，幫助促進局部基因的表達。在沒有損傷的情況下，p300也能乙?；痯53上被 Mdm2泛素化的相同賴氨酸。這些賴氨酸的乙?；钄嗔怂鼈兊姆核鼗?，因而進一步確保損傷反應中p53的穩(wěn)定。 ARF：它能結合Mdm2，抑制p53降解。,三、損傷反應激酶磷酸化p53和Mdm2,DNA未損傷： Mdm2將p53泛素化，從而促進其被蛋白酶降解。、 少量的p53靠核輸出與靶基因隔離。,三、損傷反應激酶磷酸化p53和Mdm2,DNA損傷： ATR/ATM和Chk2磷酸化Mdm2和p53，破壞了它們之間的聯(lián)系，使p53穩(wěn)定并被激活。 激活的p53四聚體阻斷了自身的核輸出，進一步增加了其在核內的水平。 p53的磷酸化也增強了與轉錄蛋白的相互作用，包括組蛋白乙?；竝300。,第五節(jié) DNA損傷與起始點轉換進程,脊椎動物細胞中DNA損傷觸發(fā)G1期停滯,不同物種中，DNA損傷的效應在每一個轉換點都存在差異：停滯在G1期是哺乳動物中DNA損傷的主要效應，而有絲分裂進程的延遲在酵母中更為重要。,損傷反應可以分成兩個階段 1，快速反應期：可以在損傷的數秒鐘之內發(fā)生，由關鍵的細胞周期調節(jié)因子的磷酸化狀態(tài)的變化來介導。 2，延遲或維持期：激活p53監(jiān)控起始點轉換進程的調節(jié)蛋白表達的增加。,DNA損傷對起始點轉換進程的影響,雙鏈的斷裂： 降解Cdc25A：Cdc25A正常情況下通過將Cdk2上的抑制性酪氨酸殘基去磷酸化。使cylin E-Cdk2和周期蛋白A-Cdk2在起始點激活。Cdc25A的降解使Cdk2發(fā)生抑制性磷酸化，阻斷起始點轉換進程。 ATM激活也引起p53的穩(wěn)定和激活，使編碼Cdk抑制因子p21的基因表達增加，p21進一步抑制了Cdk活性并幫助維持長期的細胞周期停滯。,很多細胞類型中，對DNA損傷和p53激活的長期反應是由凋亡引起的細胞死亡。數個p53 靶基因編碼的蛋白能促進凋亡或抑制存活因子信號。其中主要的是編碼蛋白PUMA的基因，該蛋白是凋亡調節(jié)因子Bcl-2家族的促凋亡BH3-only成員。另外，p53本身也擁有BH3樣活性，能通過直接激活Bcl-2家族的促凋亡成員而啟動細胞死亡。,第六節(jié) DNA損傷與有絲分裂的進入,當DNA損傷發(fā)生在S期或G2期時，有絲分裂的進入會被阻斷，直到損傷被修復，這樣就確保細胞不會作出潛在危險的嘗試來分離損傷的染色體。大部分真核生物中DNA損傷反應通過阻斷有絲分裂周期蛋白-Cdk1復合物來起作用,人細胞S期或G2期的DNA損傷也能通過穩(wěn)定并激活p53來促進將細胞周期的長時間停滯。 p53部分通過促進Cdk的抑制子p21的表達起作用。p21能結合并抑制多種類型的周期蛋白-Cdk復合物 p53也能促進另一個蛋白，14-3-3的表達，該蛋白能通過阻止周期蛋白B-Cdk1的核輸入來抑制有絲分裂的進入。,第七節(jié) 對有絲分裂原與端粒壓力的反應,一、 超增殖信號觸發(fā)了p53的激活,當正常細胞，如從小鼠胚胎取出的成纖維細胞，被改造成可過度產生關鍵的有絲分裂原信號蛋白，如基因調節(jié)蛋白Myc或小GTP酶Ras時，顯示？反應？ 細胞中這些蛋白的過度產生并不引起細胞的過度增殖，而引起細胞周期停滯或凋亡。這種反應有時也叫做超增殖應激反應或癌基因檢驗點。 這提供了一個重要機制，即當細胞出現不正常增殖行為的時候能夠將它們從群體中去除。該機制對于阻止癌癥是非常重要的，也可認為是腫瘤抑制子或腫瘤監(jiān)督系統(tǒng)。,超增殖信號部分通過激活p53來阻斷細胞周期進程或誘導細胞死亡，其機制依賴于稱為ARF的小蛋白。 在過度的有絲分裂原刺激反應中，ARF的胞內濃度增加。ARF結合并抑制泛素-蛋白連接酶Mdm2，因而減少了p53泛素化和降解的速率。 過量表達能被有絲分裂原信號激活的基因調節(jié)因子E2F1，E2F1的一個靶基因是編碼ARF的基因。,超增殖應激反應或癌基因檢驗點,（a）正常的哺乳動物細胞中，有絲分裂原通過各種信號蛋白如Ras和Myc促進細胞分裂，它們的活性能最終導致基因調節(jié)因子E2F1和相關蛋白的激活。 （b）當細胞在體外培養(yǎng)或被改造成含過度激活的Ras，Myc或E2F1時，過度的有絲分裂信號促發(fā)了ARF表達的增加，某些情況下，Cdk抑制子p16INK4a表達也增加。ARF激活了p53，產生細胞周期的持久停滯（復制衰老）或在某些條件下，細胞死亡。,二、有絲分裂原刺激的失衡啟動復制衰老,直接取自小鼠的成纖維細胞在體外進行培養(yǎng)，大約能分裂15次，然后就產生穩(wěn)定的細胞周期的停滯，稱為復制衰老。 這種現象主要源自ARF的增加以及隨之的p53水平的升高。這些細胞中的衰老被認為是非生理條件引起： 有絲分裂原過多或過少，缺乏細胞與細胞的接觸，不充分的細胞外基質成分以及不合適的氧氣水平。如果將小鼠細胞培養(yǎng)在更接近生理的環(huán)境，復制衰老不會出現。,Although the self-renewal capacity might be increased in aged HSCs, there is decreased functional regenerative capacity, particularly under stress conditions. Importantly, aged HSCs have an altered differentiation programme with reduced output of common lymphoid progenitors (CLPs), whereas common myeloid progenitors (CMPs) are produced at the same rate as by young HSCs,changed morphology, gene expression pattern chromatin structure activated DNA damage response,The two main forms of cellular senescence: Replicative induced senescence Stress induced senescence,Replicative induced senescence,細胞增殖次數與端粒DNA長度有關。端粒長度在很多細胞代數后的逐步丟失,導致了在端粒上加帽蛋白的退化。人類細胞中端粒功能最終發(fā)生障礙，觸發(fā)了持久的細胞周期停滯.,端粒退化與細胞周期停滯,端粒的長度由端粒酶維持。但是人類體細胞中通常不表達端粒酶。在這些細胞中，端粒長度在很多細胞代數后的逐步丟失導致了在端粒上加帽蛋白的退化。人類細胞中端粒功能最終發(fā)生障礙，觸發(fā)了持久的細胞周期停滯。 原因？ 由端粒退化所引起的細胞周期停滯部分依賴于DNA損傷反應。哺乳動物暴露的端?？梢暈殡p鏈斷裂，導致與基因組其他地方雙鏈斷裂反應一樣的ATM的招募和p53依賴的細胞周期停滯的起始。暴露的端粒在有些情況下也含有單鏈DNA，能激活損傷反應通路的ATR分支。,G1: viable, intact chromosomes, minor physiological abnormalities, with advanced age, they develop degenerative symptoms sooner than do age-matched mice with wild-type Terc. G2, G3 and so on: decreasing telomeres length chromosomal abnormalities and they develop multiple ageing associated degenerative disorders in highly proliferative organs, as well as in post-mitotic tissues.,原因：,ARF：ARF的增加，隨之的p53水平的升高 P16ink4a：抑制Cdk活性。 缺乏ARF或p53的小鼠細胞在遇到非生理培養(yǎng)條件時，不會發(fā)生衰老。這種細胞能在培養(yǎng)條件下無限增殖，因此被稱為永生化,人類細胞中，端粒的功能障礙被認為也促進了p16INK4a的積累，DNA損傷反應導致了p16INK4a的積累，而不是p53的激活。機制不清楚。 對端?？s短的反應，如同超增殖應激反應，是重要的腫瘤抑制機制，它限制了人類細胞的增殖潛力。,Stress induced senescence,It is a common program that is activated by normal cells in response to various types of stress.,子女的壽命與雙親的壽命有關； 各種動物都有相當恒定的平均壽命和最高壽命； 成人早衰癥：平均39歲時出現衰老,47歲生命結束. 嬰幼兒早衰癥：1歲時出現明顯的衰老，1218歲生命結束. Caenrhabditis elegans的平均壽命僅3.5天，該蟲age-1 單基因突變，可提高平均壽命65%，提高最大壽命110%。,衰老基因學說,p53: Anti-cancer or Anti-ageing,The gene p53 has been fashioned as the guardian of the genome and as prototype of the tumour suppressor gene (TSG) whose function must be inactivated in order for tumours to develop. The ubiquitous expression of truncated p53 protein isoforms, results in premature ageing of laboratory mouse strains engineered for expressing such isoforms. These facts have been construed in the argument that p53 evolved in order to protect organisms with renewable tissues from developing cancer yet, because p53 is also an inducer of cellular senescence or apoptosis after extensive DNA damage, it becomes a limiting factor for tissue renewal by depleting tissues from stem/precursor cells thus leading to whole organism ageing. From that point of view p53 displays antagonist pleiotropy contributing to the establishment of degenerative diseases and ageing. Therefore, tumour suppression becomes a balancing act between cancer prevention and ageing,