放射腫瘤學/放射生物學/DNA損傷應答
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DNA損傷應答
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- 據估計，哺乳動物細胞每天會經歷超過 100,000 次DNA 損傷。這些損傷來自複製錯誤、鹼基化學降解、活性氧物質損傷和電離輻射。
- 細胞已經發展出針對每種型別的損傷的特定 DNA 修復途徑，並且可能取決於損傷發生的細胞週期階段。
- DNA 損傷最初由感測器蛋白 MRN 和/或 Ku70/80 識別。
- 這些蛋白啟用效應分子，主要是針對雙鏈損傷的 ATM，或者在沒有 ATM 的情況下啟用 DNA-PKcs。ATR 針對單鏈損傷被啟用。
- ATM 透過以下幾個步驟協調 DNA 損傷應答 (DDR):
- 組蛋白 H2AX 損傷灶形成
- DNA 修復機制啟用 (NHEJ 或 HR)
- 細胞週期檢查點啟用
- 啟動凋亡
- DNA 損傷，特別是雙鏈斷裂 (DSB) 的形式，似乎在輻射誘導的細胞死亡中發揮關鍵作用。然而，重要的是要記住，DSB 也作為正常細胞過程的一部分發生（例如，DNA 複製/複製叉停滯、程式性重排 V(D)J、減數分裂），因此存在修復這些損傷的機制。
- 輻射照射後，損傷應答蛋白透過定位到 DNA 雙鏈斷裂 (DSB) 位點，在幾分鐘內啟動 DNA 修復。確切的順序尚未確定，但似乎有 3 對屬於 PIKK 激酶家族的感測器，影響超過 700 種蛋白。
- MRN -> ATM
- Ku70-Ku80 -> DNA-PKcs
- ATRIP -> ATR
- 多項證據表明，Mre11-Rad50-Nbs1 複合體 (MRN) 是能夠感知 DSB 並開始處理修復的主要蛋白之一。
- 似乎透過內切酶和外切酶活性，在該過程中產生了短的單鏈 DNA 寡核苷酸。
- 這些 ssDNA 寡核苷酸的積累似乎構成了正在進行的 DSB 修復的訊號，並誘導 ATM 活性。然而，僅有 ssDNA 寡核苷酸的存在似乎不足以啟用 ATM；可能需要 dsDNA 端的存在才能啟用 ATM。
- ATM 在損傷發生後 60 秒內可在 DNA 損傷位點檢測到，並持續存在長達 4 個小時。
- ATM (共濟失調毛細血管擴張症突變基因) 是一種激酶，透過磷酸化作用產生多個下游效應。
- ATM 啟用取決於輻射劑量，以響應輻射誘導的 DNA 損傷水平的增加。劑量 <0.3 Gy 僅弱啟用 ATM，而劑量 >0.5 Gy 產生最大的 ATM 啟用。
- 作為第一步，ATM 自身磷酸化以形成活性單體形式。
- 啟用的 ATM 會影響參與 DNA 修復、細胞週期控制 (G1/S、S/G2、G2/M) 和凋亡的多個靶標（超過 30 個）。
- 當 NBS1（MRN 的一部分）發生突變（例如，在奈梅亨脆性綜合徵 中）時，ATM 無法啟動損傷應答。
- 遺傳綜合徵：共濟失調毛細血管擴張症 (AT)
- 在缺乏 ATM 的細胞中，DNA 感知和 H2AX 的磷酸化可以透過 DNA-PKcs 途徑發生。
- 該途徑在具有 ATM 的細胞中處於非活性狀態（無論其是否發揮作用）。
- DNA-PKcs 被 Ku70-Ku80 複合體啟用，該複合體直接與 DSB 結合。
- DNA-PKcs 的正常功能是非同源末端連線 (NHEJ)。
- 最後，ATR 也在修復過程中發揮作用。
- ATR 通常在 DNA 複製過程中識別單鏈斷裂和其他損傷。它也可能識別 DSB 後未修復的 DNA 損傷（α 成分）。
- 然而，ATR 可以在 MRN-ATM 複合體開始 DSB 處理後被啟用。
- 遺傳綜合徵：由於 ATR 是細胞存活的必需蛋白，因此不存在遺傳綜合徵。
- PIKK 家族成員（ATM、ATR、DNA-PKcs、mTOR）
- 以非活性二聚體形式存在
- 在識別 DNA 損傷時自身磷酸化
- 啟用後，以單體形式存在
- 然後，它磷酸化多個靶標
- DNA 修復：H2AX、NBS1/MRE11（MRN 的一部分）、BRCA1、FANCD2、SMC1（染色體結構維持）
- 細胞週期阻滯：p53（G1 檢查點）、Chk1/2（S 和早期 G2 檢查點）、MDC1（與 H2AX 共定位）
- 凋亡：p53、SMAC
- 所有三種效應因子（ATM、DNA-PKcs 和 ATR）能夠啟用組蛋白 H2AX，以放大和標記受 DNA 損傷影響的染色質區域。
- 該事件受蛋白 MDC1 調節，該蛋白在斷裂的兩側雙向擴散 H2AX 磷酸化。MDC1 也在啟用 Chk1 和進一步的 S 期和 G2/M 期檢查點中發揮作用。
- H2AX 磷酸化被認為會改變染色質結構，允許 DNA 修復機制進入，並充當修復蛋白的停泊位點。
- 響應 DNA 損傷，存在 4 個不同的細胞週期檢查點。
- 負責 G1、S 和早期 G2 檢查點的基因突變似乎不會增加對單次照射的輻射敏感性（但由於延遲和重新分配可能會影響多次照射的敏感性）。
- 負責晚期 G2 的基因突變似乎會導致輻射敏感性，可能是由於允許進入有絲分裂並導致有絲分裂死亡。
- 存在劑量率效應，因此在非常低的劑量率（<0.01 G/min）下，檢查點啟用最少，可能是由於 ATM 啟用最少。在約 1 Gy/hr 時，僅觸發晚期 G2 檢查點，導致細胞在 G2/M 介面處重新分配（並導致逆劑量率效應）。在更高的劑量率下，細胞週期程序在所有檢查點處被抑制。
- 請參閱細胞週期頁面。
| 位置 | 效應因子 | 下游蛋白 | 作用 |
|---|---|---|---|
| G1 | ATM | p53、p21、CyclinD-cdk4、Rb、E2F | 阻止進入 S 期 |
| S | ATM | Chk2、CDC25A、CDC45 | 減緩 S 期的程序 |
| 早期 G2 | ATM | Chk1/Chk2、CDC25A/C | 將細胞阻滯在 G2 期 |
| 晚期 G2/M | ATR | Chk1、CDC25A/C | 在 M 期之前阻滯細胞 |
- 細胞啟動細胞分裂的決定
- 在迴圈細胞中，由 E2F 轉錄因子的啟用控制
- 在 G0/G1 中，E2F 被 Rb 蛋白結合並失活
- DNA 損傷啟用 ATM，ATM 隨後透過磷酸化 p53 並使其與 MDM2 解離來啟用 p53。
- p53 反過來上調 p21。
- p21 抑制 cyclinD-CDK4/6 和 cyclinE-CDK2。
- 因此，這些細胞週期蛋白不會磷酸化 Rb 蛋白，Rb 蛋白仍然與 E2F 結合，從而使其失活。
- 當細胞決定進入細胞週期時，細胞週期蛋白 D/E 會磷酸化 Rb，然後 Rb 與 E2F 解離。
- E2F 是一種 DNA 轉錄因子，它會觸發進入 S 期。
- 不會增加輻射敏感性。
- 總結：損傷 - ATM 上調 - p53 上調 - p21 上調 - CDK4/6 和 CDK2 下調 - Rb 下調 - E2F 下調 - 不會進入 S 期
- 該檢查點的重要性在於阻止複製叉在 DNA 鏈斷裂處進行復制。
- CDK2 激酶必須保持去磷酸化狀態，才能使 S 期繼續進行。
- DNA 損傷啟用 ATM，ATM 隨後啟用 Chk2 激酶（以及較小程度的 Chk1）。
- Chk1/2 激酶然後磷酸化 CDC25A，導致其降解。
- 這會增加磷酸化 CDK2 激酶的水平，並且由於無法將 CDC45 載入到染色質上，因此減緩了 S 期的程序。
- 缺少 CDC 45 會阻止 DNA 聚合酶 α 的募集和隨後的複製。
- 似乎也存在從 ATM 透過 NBS1 到 CDC45 的途徑，BRCA1/BRCA2 和 FANC-D2 也在該過程中發揮一定作用。
- 不會增加輻射敏感性。
- 總結：損傷 - ATM 上調 - Chk2 上調 - CDC25A 下調 - CDK2 磷酸化 - CDC45 下調 - S 期程序減緩
- 由低劑量（<1 Gy）輻射啟用
- CDK1 激酶必須保持去磷酸化狀態才能繼續 G2
- DNA 損傷啟用 ATM 和 ATR，進而啟用 Chk1 和 Chk2 激酶。還存在一條從 ATR 透過 BRCA1 到 Chk1 的通路
- Chk1/2 激酶隨後磷酸化 CDC25C，導致其降解。14-3-3 蛋白在該過程中起作用
- CDC25C 的降解導致磷酸化 CyclinB/CDK1 激酶水平升高，從而阻斷細胞進入 G2。CyclinB/CDK1 激酶必須去磷酸化才能進入有絲分裂
- 不會增加輻射敏感性。
- 總結：損傷 - ATM 上調 - Chk1/Chk2 上調 - CDC25C 下調 - CDK1 磷酸化 - 無有絲分裂
- 所有檢查點中調控最嚴格的
- 對輻射劑量高度依賴，其影響可能持續數小時
- 獨立於 ATM，由 ATR 觸發
- 不同的觸發因素表明，與 ATM 監測的雙鏈斷裂不同，檢查的是不同型別的 DNA 損傷。它可能是修復嘗試後殘留的 DNA 損傷
- DNA 損傷啟用 ATR，進而啟用 Chk1 激酶
- Chk1/2 激酶隨後磷酸化 CDC25C，導致其降解。14-3-3 蛋白在該過程中起作用
- CDC25C 的降解導致磷酸化 CyclinB/CDK1 激酶水平升高，從而阻斷細胞進入 G2。CyclinB/CDK1 激酶必須去磷酸化才能進入有絲分裂
- 增加輻射敏感性，部分原因是不能在細胞分裂前修復所有受損 DNA 的細胞會經歷更高比例的有絲分裂死亡
- p53 通常透過 MDM2 泛素化途徑在產生後立即被降解
- 在細胞壓力或 DNA 損傷時，p53 被啟用（磷酸化和乙醯化）並免受降解
- 作為“基因組守護者”的啟用 p53 具有多種作用
- p53 在細胞週期停滯 + DNA 損傷修復與凋亡之間的選擇尚不清楚
- 請參閱 DNA 修復頁面