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同源重组修复和合成致死的重要研究进展

摘要:DNA双链断裂是细胞受到电离辐射后生物学上最严重的损伤,下面是小编搜集整理的一篇探究同源重组修复和合成致死研究进展的 论文范文 ,欢迎阅读查看。 DNA损伤激活细胞内DNA损伤应答(DNAdamageresponse,DDR),产生细胞凋亡、细胞周期阻滞以及DNA损伤修复等一
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  DNA双链断裂是细胞受到电离辐射后生物学上最严重的损伤,下面是小编搜集整理的一篇探究同源重组修复和合成致死研究进展的论文范文,欢迎阅读查看。

  DNA损伤激活细胞内DNA损伤应答(DNAdamageresponse,DDR),产生细胞凋亡、细胞周期阻滞以及DNA损伤修复等一系列生物学效应。DSB修复有同源重组(Homologousrecombination,HR)和非同源重组末端连接(Non-homologousend-joining,NHEJ)修复两种方式。本文着重介绍HR修复分子机制、影响因素、合成致死及其与NHEJ修复的关系,并探讨其临床应用的潜在可行性。

  DNA损伤启动多种修复机制,其中HR修复是保护基因组完整性的重要机制,参与DNA单链断裂(Singlestrandbreakage,SSB)导致的复制叉断裂和链间交联以及DSB的修复,以姐妹染色单体为DNA模板,是无错误修复通路,只发生在S期和G2期[1].放射生物学家们从20世纪早期已着手HR修复与DSB的关系的研究,本文仅以时间点为线索回顾HR修复和合成致死的重要研究进展,详见图1.

  1、同源重组修复机制、影响因素及其合成致死效应

  HR修复的主要成分包括MRN(MRE11–RAD50–NBS1)复合体,RAD51、RAD51同源异构体、RAD52(在酵母菌中)、RAD54,涉及BRCA1、CtIP(CtBPinteractingprotein)、ATM、ATR、PALB2(PartnerandlocalizerofBRCA2)、BRIP1(BRCA1interactingproteinC-terminalhelicase1)等因子[1-2].

  1.1、HR修复机制

  HR修复分为3个时期:(1)联会前期;(2)联会期;(3)联会后期[1-3].

  1.1.1联会前期

  MRN复合体与DNA断端结合启动HR修复,Mre11与CtIP启动5'-3‘切除过程[4].核酸外切酶1和具有解螺旋酶-核酸内切酶功能的STR-Dna2复合体共同作用持续产生ssDNA.RPA覆盖切除的DNA断端,限制二级结构形成,促进RAD52介导的重组酶RAD51装载。RAD51在ssDNA上形成前联会核蛋白纤维[1,3].

  1.1.2联会期

  RAD51-ssDNA联会前核蛋白纤维介导同源序列的寻找和DNA链侵入,这是HR修复核心反应。靶DNA与RAD51核蛋白纤维之间的DNA链配对形成D-loop,包括新异源双链DNA和供体DNA移位的链[3].RAD54协助RAD51寻找DNA同源序列、Holliday联结分支的迁移及RAD51取代侵入DNA和启动DNA修复的过程[5].

  1.1.3联会后期

  以3'-断端为引物进行DNA合成,RAD51与dsDNA分离,暴露DNA合成所需的3'-OH[1].第二个DSB断端与扩展的D-loop平行,形成双Holliday联结,在解离酶作用下这些对称结构产生交换型或非交换型产物[3].

  1.2、HR修复的影响因素

  HR修复受RAD51、BRCA1、BRCA2等因子调控。BRCA1的肿瘤抑制因子活性依赖其细胞周期检查点、转录、蛋白泛素化、凋亡和DNA修复方面的功能,受BRCT磷酸蛋白识别区域调节。Rad50、RAD51和γH2AX的募集过程依赖BRCA1,BRCA1缺失细胞丧失使RAD51集中于DNA损伤区域的能力,导致HR和NHEJ修复、S期和G2-M期细胞周期检查点均存在缺陷[5-6].间质-上皮转型(Mesenchymalepithelialtransition,MET)抑制剂下调MET活性,减少RAD51移入细胞核并阻断RAD51-BRCA2复合体之间相互作用,致HR修复受损,γH2AX消退延迟,细胞内DSB持续高水平[7].CDK1、2(Cyclindependentkinase1,2)磷酸化BRCA2,调节其与RAD51相互作用,促进S/G2期HR修复[8].

  总之,HR修复是众多因子共同作用相互协调的过程,这些因子失活或步骤中断都会对HR修复的最终效应产生影响。

  1.3、合成致死

  合成致死(Syntheticlethality)指2个或以上基因同时突变的遗传组合导致细胞死亡,而这些基因中任意一个基因突变都不会引起细胞死亡。HR修复缺陷肿瘤细胞中常见BRCA1和BRCA2等基因突变,此背景下应用特异性靶向药物抑制特定基因表达,产生合成致死效应。其治疗策略意义是在DNA损伤修复缺陷肿瘤细胞中抑制其他修复通路促进合成致死效应;也可抑制预先存在细胞周期检查点缺陷或修复缺陷细胞的细胞周期检查点,增加损伤DNA聚集和促进细胞死亡[9].

  2、HR修复与NHEJ修复的关系

  对IR所致的DSBHR与NHEJ修复具有互补作用。一个决定修复方式的重要因素是5'-3'DNA断端切除,启动NHEJ修复失败后进行,促进HR修复而非经典NHEJ修复。53BP1阻断断端切除抑制HR修复,是关键调节因子[10].DDR因子E3泛素连接酶RNF168促进删除BRCA1的细胞中H2A/H2AX在K13/15单泛素化和53BP1聚集在损伤区域,抑制HR修复[11].HR修复缺陷细胞中,易产生错误的NHEJ修复是主要修复方式,染色体易位和重组的频率增加。

  G2期两条通路均有效时,优先选择不易产生错误的HR修复[12].

  3、HR修复研究的潜在临床意义

  DSB修复异常作为肿瘤发病风险、预后指标和治疗靶点,近年来受到广泛关注和研究。

  3.1HR修复与疾病发生和预后的关系BRCA1N端RING结构域和C端BRCT结构域的遗传性变异对易导致遗传性乳腺癌和卵巢癌[13].BRCA1特定位点错义突变或氨基酸置换影响HR修复和SSA(single-strandannealing)修复,是遗传性乳腺癌致病因素[14].

  BRCA1与50%~85%乳腺癌和15%~45%卵巢癌发病风险相关。BRCA2是启动BRCA1-BRCA2-HR损伤修复的效应器,其遗传性缺陷与40%~60%乳腺癌和10%~20%卵巢癌终生风险相关[15].

  部分HR修复通路因子如PALB、BRIP1、BARD1、MUS81、RAD51等,有抑制肿瘤活性的功能,在抑制乳腺癌和卵巢癌发病中起主要作用[16].RAD51低表达见于乳腺癌,高表达见于胰腺癌。MRE11(T)11重复序列突变见于80%以上结直肠癌患者中[2].

  RAD51家族成员XRCC2缺陷时细胞内HR修复降低100倍,XRCC2rs3218408与乳腺癌患病风险相关,rs3218536与乳腺癌和胰腺癌不良预后相关[17].

  非小细胞肺癌中RAD51G135C可作为预测临床效果的生物指标,携带C等位基因患者中位生存率更高;且在吸烟和既往吸烟患者中,携带C等位基因患者总生存率较GG基因型患者高[18].

  3.2、HR修复与肿瘤靶向治疗的研究进展

  3.2.1合成致死的临床应用

  HR修复应用于肿瘤靶向治疗的一个重要机制是合成致死,常见策略有2种:(1)以特定DNA修复通路为靶点;(2)细胞周期检查点抑制剂。

  多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶[Poly(adenosinediphosphate(ADP)-ribose)polymerase,PARP]抑制剂是重要的合成致死靶向药物。PARP在修复SSB中的作用是合成致死的基础。复制叉遇到SSB,该损伤转换为DSB,NHEJ不能修复此类只有一个断端的DSB,需启动HR修复;若HR缺陷,则无法修复。PARP抑制剂(PARPinhibitor,PARPi)增加开放型SSB,致复制相关DSB数量增加,最终引起染色单体断裂和细胞死亡[9].BRCA变异细胞对PARPi敏感性是野生型细胞的1000倍,PARPi奥拉帕尼治疗乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌显示出显着疗效[5].但50%上皮性卵巢癌HR修复完整,限制PARPi的应用。17-AAG将HR修复完整肿瘤转变为HR修复缺陷肿瘤,增加上皮性卵巢癌细胞对奥拉帕尼的敏感性[19].PARPiVeliparib在三阴乳腺癌和化疗抗拒的卵巢癌前临床试验中显示单药活性[2].Rad52促进Rad51介导的HR修复,BRCA1、PALB2、BRCA2缺陷人肿瘤细胞中删除RAD52HR修复速度减缓,染色体异常增加,克隆存活率降低,它们之间存在合成致死关系。以Rad52为靶点的药物研发处于前临床试验阶段[20].

  应用细胞周期检查点抑制剂于DNA修复缺陷细胞是另一种治疗策略。抑癌基因p53为调控G1/S期检查点所必需,多种肿瘤细胞中失活,尤其是BRCA1或BRCA2突变肿瘤细胞中。ATM-ATR-CHK1通路参与DNA损伤后S和G2期检查点调控,CHK1抑制剂增加p53突变细胞对放射治疗或化学治疗敏感性[9].

  3.2.2以HR修复通路因子为靶点的肿瘤治疗

  HR修复通路主要因子作为肿瘤靶向治疗的潜在靶点已被广泛研究。近年来出现部分以HR修复为靶点的抗肿瘤新药,如:(1)蛋白酶抑制剂;(2)Bcl-abl抑制剂伊马替尼;(3)组蛋白乙酰化酶抑制剂(Histonedeacetylaseinhibitors,HDACi);(4)热休克蛋白HSP90抑制剂17-AAG.

  特异性抑制剂改变或降低HR修复通路主要因子功能或活性,抑制其修复能力以增加肿瘤细胞对导致DSB敏感性的目的,此种治疗策略已见于前临床试验。

  地西他滨处理多发性骨髓细胞激活DDR,促进RAD51和53BP1形成,联合RAD51抑制剂B02增加其诱导的细胞凋亡;小剂量HDACiJNJ-26481585干扰DNA损伤修复通路,提高地西他滨介导的细胞毒性[21].

  MRN抑制剂Mirin阻止G2/M期检查点激活和HR修复[2].ATM属于PIKK超家族,G1-S期ATMS367,S1893,和S1981位点脱磷酸化下调ATM水平,抑制HR修复[22],其高度特异性小分子ATP竞争性抑制剂KU-55933提高肿瘤细胞对放射线和致DSB药物的敏感性,提示该药的潜在临床应用价值[2].

  删除特定基因抑制HR修复,增加肿瘤细胞放射敏感性,这是具有应用前景的增加放射治疗敏感性的靶点。研究显示敲除IGF-1R致HR修复缺陷,γH2AX消除延迟,G1期细胞放射敏感性增加[23].黏连蛋白(Cohesin)由SMC1、SMC3和Rad21组成,磷酸化后激活,DSB形成时聚集并促进修复。敲除53BP1、H2AX和MDC基因后,SMC1、SMC3的磷酸化减少;敲除Rad21引起细胞周期分布改变,G1期细胞较S期、G2期、M期多[24].

  总之,DSB是细胞受到电离辐射后发生的最严重DNA损伤,其修复机制复杂且与肿瘤发病和治疗密切相关。近年来关于其修复机制研究一直是肿瘤转化医学研究的热点,其中HR修复作为保护基因组完整性的重要机制受到越来越多的关注,主要集中于3个方面:(1)HR修复基因缺陷与多种肿瘤发病相关,如何筛查携带这些突变基因的高危人群达到预防肿瘤的目的是肿瘤预防的难点,如何检测肿瘤患者中这些突变基因以期制定合理的治疗策略;(2)通过抑制肿瘤细胞HR修复通路特别是合成致死,增加肿瘤放化疗敏感性,为肿瘤的靶向治疗提出了一种新的思路;(3)DNA损伤修复涉及多种修复机制,深入研究它们之间的联系,促进其在肿瘤治疗的应用研究。深入了解DSB与HR修复之间的分子机制并将其应用于肿瘤个体化治疗有望突破肿瘤治疗成功的瓶颈。

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