电离辐射损伤修复的细胞和分子机制

如上所述,电离辐射可通过与DNA的直接相互作用,或更常见的是,通过在细胞内或相邻细胞内的相邻水分子中诱导的损伤,引起各种损伤。这些DNA损伤包括脱氧核糖骨架损伤、碱基损伤、单链断裂(SSB)和双链断裂(DSB)。4由于在进化过程中不可避免地会受到电离辐射的影响,人类细胞已经发展出多种修复途径来处理电离辐射造成的各种类型的DNA损伤。5在过去的10到15年中,了解人类细胞中这些复杂且有时冗余的修复途径一直是辐射生物学的一个主要焦点,这将在未来继续下去。10这些关于辐射修复途径的研究也与电离辐射对细胞周期的影响有许多联系,这将在本章后面讨论。

碱基损伤和DNA单链断裂的修复

电离辐射诱导的碱基损伤修复涉及一系列被称为碱基切除修复(BER)的生化过程。DNA单链断裂(SSB)是人类细胞中最常见的损伤之一,无论是自发的还是作为酶修复BER过程中碱基损伤的中间产物。在BER中,单个受损碱基或局部多重受损碱基被特定的糖基化酶识别和移除,导致无嘌呤或无嘧啶(AP)位点需要AP内切酶切割,然后使用互补链作为模板进行再合成,最后连接修复的链。11,12电离辐射诱导的DNA SSB修复以类似于BER的步骤完成,其中正常DNA链作为修复模板。当电离辐射直接引起的DNA单链断裂或作为BER中间产物产生的DNA单链断裂没有得到及时有效的处理时,受损位点簇的存在和复制分叉然后可能导致DSB。4.

以特定DNA修复缺陷为特征的细胞模型的可用性蛋白质已被证明是阐明BER和SSB修复的分子机制的良好模型。10例如,已证明转染人类基因XRCC1(X射线修复交叉互补基因1)可以纠正电离辐射和烷基化剂诱导的缺乏重新连接DNA SSB的小鼠细胞。XRCC1蛋白作为支架蛋白,与至少三种参与BER和DNA SSB修复机制的其他因子紧密结合,包括DNA连接酶III、DNA聚合酶b和聚ADP核糖聚合酶(PARP)。12 XRCC1在人类细胞群体对DNA损伤的反应中的重要性是最近几项研究的主题,这些研究评估了人类XRCC1基因的多态性是否显著增加了选定人群的癌症风险。12事实上,密码子399的一个氨基酸的遗传变化与几种类型的胃肠道癌(胃癌、胰腺癌、结直肠癌)的风险增加以及乳腺癌. 此外,对这些多态性的功能分析表明,XRCC1的这些变体可能导致对电离辐射的超敏反应。12

Holliday结分辨率

DNA双链断裂的修复

众所周知,电离辐射引起的最重要损伤是DSB。4,5未修复或错误排列的DSB可产生染色体缺失、易位和无着丝粒/双着丝粒染色体,从而导致细胞死亡或遗传不稳定。与以互补的正常DNA链为模板的DNA单链断裂修复不同,单链断裂修复是一个更复杂的过程,可能涉及同源重组(HR)或非同源末端连接(NHEJ)。通常,电离辐射诱导DNA双链断裂,其中一个或两个DNA末端有一个突出的DNA单链悬垂。通过对辐射敏感酵母突变体的遗传和生化研究可知,只有一个未修复(或误传)的DSB可导致细胞死亡。5,10电离辐射诱导DSB与剂量呈线性函数关系,而未修复(未连接)DSB的动力学与剂量呈线性二次(a,b)关系。13对于低辐射剂量,二次分量不显著。因此,DSB修复熟练细胞的存活曲线将具有低辐射剂量下的初始“肩部”(a组分),然后是终端指数斜率(b组分),如图3.2所示。相反,DSB修复缺陷细胞中通常未观察到“肩部”区域,例如正常皮肤常染色体隐性遗传病共济失调患者的成纤维细胞或正常淋巴细胞毛细血管扩张(AT)。DSB修复(包括HR和NHEJ)可能是从力学角度解释之前描述的细胞对电离辐射损伤反应的基本过程,称为亚致死损伤修复(SLDR)和潜在致命损伤修复(PLDR)。4然而,尽管多次尝试用数学术语(如LQ模型)定义DSB修复和电离辐射后的存活,但其他促发因素,如细胞周期检查点、缺氧、遗传背景多样性(多态性)、诱导凋亡、,旁观者效应(如自分泌或旁分泌途径)可能会显著影响细胞或组织(包括正常和恶性)的生存反应。这些复杂的遗传和生物化学相互作用不容易用数学模型来模拟。

同源重组(HR)是人类修复电离辐射诱导DSB的两条主要修复途径之一。HR介导的DSB修复有三种一般机制。5,14,15两种HR机制,称为基因转化和断裂诱导同源性,需要与单独的DNA分子同源(图3.3)。另一种HR机制,单链退火,只需要DSB一端的局部同源性(图3.4)。全部三个

基因转化

图3.3中的断裂诱导复制交叉。同源重组(HR)的各种途径。3’-凸出的DNA单链(3’-PSS)形成后(箭头),它们侵入另一个DNA分子的同源区域。复制分叉捕获(A)导致形成Holliday连接,随后在交叉(如图所示)或无交叉事件的情况下进行解析。当没有复制叉捕获发生时(B),重组遵循断裂诱导的复制途径。

HR机制需要3’-DNA单链悬挑(3’-PSS)。在基因转化和断裂诱导复制过程中,DSB两端产生3’-PSS。然后,一条染色体退火到姐妹染色单体上的同源区域、同源染色体或其他染色体上的同源区域。接下来,新的DNA合成在3’-端开始,并进入DSB另一端的3’-PSS。此时,HR可以在两个不同的方向进行,包括(a)Holliday连接(基因转换),这是3’-PSS退火到新合成链的结果(图3.3A),或(b)复制分支一直进行到染色体末端,没有遇到DSB的另一端(断裂诱导复制;图3.3B)。第三种HR机制,单链退火,可以依赖于合成或

核酸内切酶

DNA连接酶,错配修复图3.4。单链退火修复两端都有3’-PSS的双链断裂(DSB)。皮瓣内切酶(FEN-1)去除错位的DNA链。

放射治疗机制

股线侵入图3.5。参与DSB修复的同源重组(HR)途径的蛋白质:同源搜索和链入侵。取自酵母和脊椎动物模型的综合数据。

股线侵入图3.5。参与DSB修复的同源重组(HR)途径的蛋白质:同源搜索和链入侵。取自酵母和脊椎动物模型的综合数据。

-独立(图3.4)。两种类型的单链退火都利用DSB两端3’-PSS的局部同源性。两个3’-PSS的退火会导致一条带合成独立退火或带合成依赖退火的间隙。随后用3’^5”核酸外切酶或皮瓣内切酶移除皮瓣,同时用DNA聚合酶.

所有三种HR机制都需要RAD52上位性组(RAD50、51、52、54、57、58和59)的基因产物(蛋白质)以及基因产物的参与。15 Mre11蛋白被认为是电离辐射诱导DSB的主要传感器,随后在酵母中招募Rad50和Xrs2蛋白,在人类中招募奈梅根断裂综合征(Nbs1)蛋白(图3.5)。由此产生的Mre11、Rad50和Nbs1复合物被认为会产生3’-PSS DNA损伤,其中酵母RAD51基因的几个同系物(图3.5)随后在复杂的过程中相互作用,以促进DNA链迁移、入侵和最终修复。

相反,非同源末端连接(NHEJ)建议修复不需要DSB末端之间的扩展同源性。DSB重新加入可以在中断位置进行有限数量的碱基对。在人类中,NHEJ修复蛋白复合体包括Ku70、Ku80、DNA依赖性蛋白激酶催化亚单位(DNA PKcs)、DNA连接酶IV和X射线交叉互补(XRCC)4。根据目前的模型(图3.6),Ku70-Ku80二聚体最初结合到DSB的末端,该二聚体作为螺旋酶,导致DSB末端的局部解卷。然后在DSB两端附近招募15个DNA PKC,然后招募XRCC4/DNA连接酶IV复合物来修复限制性内切酶产生的DSB。根据检测到的DNA损伤类型,NHEJ可分为几种途径。由限制性内切酶产生的含有四个碱基对互补末端的DNA DSB的重新连接是非常有效和精确的。然而,当DSB端部不互补时,修复效率较低,可能会导致非互补(困难)DSB修复中的小插入或删除。

目前尚不清楚人类细胞如何选择DSB修复途径。10已经提出了两种模型来解释细胞如何调节电离辐射诱导DSB后是否使用HR或NHEJ途径。根据第一个模型,NHEJ是细胞周期G1期和早期S期活跃的主要途径。16组件姐妹染色单体发生在S和G2晚期,HR是这些细胞周期阶段的主要DSB修复途径。5第二个模型涉及NHEJ和HR传感器之间DNA DSB端的直接竞争(见图3.5、3.6)。第一个模型的证据来自小鼠scid细胞,该细胞缺乏NHEJ,但可以通过HR途径在G2期修复DSB。17在人类细胞中发现了第二种模型的证据,其中人类Rad52蛋白和Ku70-Ku80蛋白复合物相互竞争以保护DNA DSB末端免受核酸外切酶活性的影响。18此外,p53肿瘤抑制基因似乎也在电离辐射损伤后NHEJ和HR之间的人类细胞决定中发挥作用。10研究表明,与表达野生型p53的细胞相比,缺乏功能性p53的人类细胞(通过零突变或突变型p53表达)在电离辐射损伤后表现出高达20倍的HR。由于p53调节RAD51的转录和翻译后活性,因此RAD51蛋白可能在通过NHEJ途径引导DSB修复中起着关键作用。因此,这些数据表明,NHEJ和HR之间的选择是细胞周期阶段、同源物可用性和细胞遗传背景(如p53状态)的函数。

电离辐射损伤DNA修复不完全或错误的后果可能导致致癌作用在人类正常细胞或在人类肿瘤细胞中产生电离辐射抗性。在许多不同的人类癌症中发现了许多基因突变,这些基因的产物与DSB修复有关。例如,在人类乳腺癌中发现了RAD51、RAD52和RAD54的杂合性缺失(LOH)。此外,近三分之二的人类胰腺癌中

放射治疗机制

图3.6:。涉及DNA-PK的非同源末端连接(NHEJ)模型。Ku80/Ku70复合物感知并结合DSB末端并招募DNA PKC。Ku相关螺旋酶活性(存在RP-A时的WRN?)激活后,Ku复合物迁移到双螺旋中,Ku80蛋白首先朝向DNA断裂端的5’-方向。据推测,根据DSB的类型,XRCC4/DNA连接酶IV复合物或其他蛋白质(即核酸酶和重组酶)被招募来帮助重新连接DNA的四个断裂端。

图3.6:。涉及DNA-PK的非同源末端连接(NHEJ)模型。Ku80/Ku70复合物感知并结合DSB末端并招募DNA PKC。Ku相关螺旋酶活性(存在RP-A时的WRN?)激活后,Ku复合物迁移到双螺旋中,Ku80蛋白首先朝向DNA断裂端的5’-方向。据推测,根据DSB的类型,XRCC4/DNA连接酶IV复合物或其他蛋白质(即核酸酶和重组酶)被招募来帮助重新连接DNA的四个断裂端。

Rad51蛋白,可导致细胞对电离辐射损伤的抵抗和肿瘤异质性的发展。

目前正在寻找负责电离辐射诱导的DNA损伤检测和修复的新蛋白质。10,15在过去十年中,发现了几个重要的DNA修复基因,其突变导致DNA修复缺陷和对电离辐射的极端敏感性。在人类中发现了X射线交叉互补(XRCC)基因,随后识别出9个基因互补组。如前所述,XRCC1基因的产物被发现对DNA SSB修复很重要。XRCC2和XRCC3基因产物是RAD51家族的一部分,对DNA DSB修复中的HR途径至关重要。XRCC4至XRCC7基因最初似乎参与DNA DSB修复的NHEJ途径,后来进行测序,发现XRCC4为DNA连接酶IV,XRCC5为Ku80,XRCC6为Ku70,XRCC7为DNA PKC。XRCC8互补群中的突变体与共济失调毛细血管扩张症(AT)和奈梅根断裂综合征(NBS)表现出表型相似性,对电离辐射和拓扑异构酶1抑制剂极为敏感。最后,XRCC9基因(也称为范科尼贫血G组)对电离辐射和DNA交联剂以及自发染色体不稳定性表现出明显的敏感性。

在过去几年中,RAD24基因组成员也被确定包括RAD9、RAD17、MEC3和DDC1基因。RAD24鼻出血组的产物似乎具有调节作用,将电离辐射诱导的DNA修复和细胞周期进展联系起来。人们还认识到,BRCA1、ATM和p53等肿瘤抑制基因的产物与RAD50和RAD51基因产物相互作用,完成DNA DSB损伤识别和修复的复杂过程。

显然,DNA DSB修复领域是一个复杂的领域,是放射肿瘤学学科的一个重点研究领域。5,10,15虽然我们对这些导致DNA DSB修复的复杂相互作用的知识可能还很初级,但翻译辐射生物学家/肿瘤学家正在开始探索这些基因或蛋白质产品中的一些如何成为修饰抗药性人类癌症电离辐射反应的治疗靶点。本章后面将讨论这些新的放射肿瘤学“靶向”治疗的转化方法。下一小节将描述电离辐射损伤和修复对细胞周期检查点的影响。

继续阅读此处:电离辐射对细胞周期的影响

这篇文章有用吗?

0 0