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放射腫瘤學/放射生物學/DNA修復

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輻射誘導的DNA損傷修復


單鏈損傷修復

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  • 單鏈斷裂是常見的事件；1 Gy 輻射會導致每個細胞約 1000 個 SSB
  • 鑑於此，細胞具有高效的機制來修復 SSB
  • 然而，單鏈斷裂對於雙鏈斷裂的形成也很重要
  1. 電離輻射通常以簇狀發生，一些 SSB 會在靠近鹼基損傷區域的地方產生。在這些區域，BER 過程中進行的臨時鏈切口可能會與附近的 SSB 結合形成 DSB
  2. 如果 SSB 在 S 期發生在複製叉處，複製叉就會崩潰，就會出現單端雙鏈斷裂。這些無法透過 NHEJ 修復（因為沒有兩個 ds 斷裂），並且必須嘗試透過 HR 修復。這可能在 HR 缺陷的腫瘤（如 BRCA1 和 BRCA2 突變）中是一個問題，PARP 抑制在這些情況下似乎特別有效

鹼基切除修復 (BER)

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  • 負責修復水解和氧化鹼基損傷（例如尿嘧啶、8OH-鳥嘌呤、無鹼基位點）的主要途徑
  • 損傷由聚 (ADP-核糖) 聚合酶 (PARP) 識別
  • 根據損傷鹼基的數量，BER 透過短片段或長片段途徑進行
    • 短片段 BER
      • DNA 糖基化酶切除鹼基，導致 AP 位點（脫嘌呤位點）。有不同的糖基化酶識別特定的鹼基
      • AP 核酸內切酶 (APE-1) 去除糖殘基
      • DNA 聚合酶 β替換正確的核苷酸
      • DNA 連線酶 III 和 XRCC1 複合物將遊離的 DNA 鏈連線在一起
    • 長片段 BER
      • DNA 糖基化酶切除鹼基，導致 AP 位點（脫嘌呤位點）。有不同的糖基化酶識別特定的鹼基
      • AP 核酸內切酶 (APE-1/AP 裂解酶) 去除糖殘基
      • PCNA (增殖細胞核抗原) 作為參與後續步驟的蛋白質的銜接子
      • DNA 聚合酶 δ/ε 和 PCNA 複合物複製正確的核苷酸序列，即使在未損傷鏈下也能複製它
      • 瓣狀核酸內切酶 1 (FEN1) 和 PCNA 複合物剪下掉先前未損傷鏈的正常懸垂
      • DNA 連線酶 I 和 PCNA 複合物將遊離的 DNA 鏈連線在一起
  • 缺陷通常不會增加輻射敏感性，但會導致突變率增加。XRCC1 缺陷會增加放射敏感性 (1.7 倍)，但這可能是由於它在 SSB 修復中的作用
  • PARP 和 XRCC1 的抑制在 HR 缺陷的腫瘤中是有效的
  • 遺傳綜合徵
    • 迄今為止，尚未發現由 BER 突變導致的人類疾病

核苷酸切除修復 (NER)

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  • 負責修復體積龐大的 DNA 加合物（例如嘧啶二聚體）的主要途徑；因此，它對於放射腫瘤學來說並不十分重要
  • 所涉及步驟的概述（參見更多內容 維基百科
    • 在 DNA 損傷周圍切開；這通常是一個 24-32 bp 長的括號
    • 去除包含加合物的整個區域
    • DNA 修復合成
    • DNA 連線
  • 參與的蛋白質包括 XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF 和 XPG（與色素性幹皮病患者相關）以及 CSA (ERCC8) 和 CSB (ERCC6)（與科凱恩綜合徵相關）
  • 缺陷通常不會增加輻射敏感性，但會導致對紫外線損傷和誘導體積龐大的加合物的抗癌藥物（例如烷化劑）的敏感性增加
  • 遺傳綜合徵

錯配修復

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  • 負責去除鹼基-鹼基錯配和小插入/缺失錯配的途徑
  • 所涉及步驟的概述
    • 起始：MSH2、MSH3 和 MSH6 包圍 DNA；MLH1 和 PSM2
    • 切除和重新合成：聚合酶 δ/ε 和 PCNA 複合物
    • DNA 連線酶 I 連線 DNA
  • 缺陷通常不會增加輻射敏感性，但會導致突變率增加
  • MLH、MSH 或 PSM 家族的突變會導致微衛星不穩定性（小的鹼基插入或缺失）和癌症（例如散發性子宮內膜癌）
  • 遺傳綜合徵

DNA 損傷繞過

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  • 當移動的複製叉遇到模板鏈中的損傷時發生
  • 細胞對 DNA 損傷反應的重要組成部分，並有助於類似於 NER 和 HR 的存活率
  • Rad 18 與 DNA 結合，Rad 6 泛素化 PCNA
  • PCNA 可能會決定是否會發生重組繞過（無錯）或跨損傷繞過（易錯）。目前尚未完全瞭解
  • SRS2 是一種解旋酶，它阻止進一步的同源重組
  • 重組繞過蛋白包括 Rad5、Ubc13、Mms2
  • 跨損傷繞過蛋白包括 DNA 聚合酶 ζ 和 η
  • 請參見羅斯威爾公園講座瞭解更多資訊


DNA 烷基化

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MGMT

  • MGMT (O6-甲基鳥嘌呤-DNA 甲基轉移酶) 基因位於 10q26 染色體上
  • 它編碼從鳥嘌呤 O6 位置去除烷基的 DNA 修復蛋白
  • MGMT 修復 DNA 會消耗該蛋白質，該蛋白質必須由細胞補充
  • O6-甲基鳥嘌呤病變是由化學療法烷化劑誘導的，如果未修復，會引發細胞毒性和凋亡
  • 啟動子甲基化對 MGMT 基因的表觀遺傳沉默導致 MGMT 表達丟失和 DNA 修復減少。請參見膠質母細胞瘤章節以瞭解更多資訊

雙鏈損傷修復

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  • 存在兩種主要的 DSB 修復途徑
    • 非同源末端連線 (NHEJ)：主要在 G0、G1、S 期早期（姐妹染色單體不存在時）活躍，儘管在 G2/M 期也有活性。連線兩個雙鏈斷裂。易錯
    • 同源重組修復 (HRR)：在 G2/M 期（姐妹染色單體存在時）進行。從未損傷的染色體複製資訊。無錯
  • 單鏈退火作為 DSB 修復途徑的作用尚未明確，但似乎也涉及同源重組


非同源末端連線 (NHEJ)

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  • 將兩個 DSB 末端連線在一起，無需模板
  • 保真度低，斷裂位點經常發生缺失或插入。雖然這可能會增加突變，但它允許細胞存活。也用於免疫球蛋白 V(D)J 重組
  • 從 Ku70/Ku80 異二聚體與遊離的 DNA 末端結合，並作為支架開始
  • 然後，它募集 DNA-PKcs (PRKDC)，它充當兩個遊離 DNA 末端之間的橋樑。它還磷酸化參與 DNA 修復和細胞週期控制的許多靶蛋白
  • DNA-PKcs 與 Artemis 結合，Artemis 是一種核酸內切酶，用於處理 DNA 末端
  • 然後，幾種其他酶，包括核酸酶和聚合酶，填補或去除單鏈懸垂。此過程會導致插入或缺失
  • 最後一步是由連線酶 IV 連線兩個末端，在 XRCC4 和 XLF 的輔助下
  • 對電離輻射的超敏感性
  • 遺傳綜合徵


同源重組 (HR)

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  • 使用同源 DNA（複製的 DNA）作為模板來修復損傷
  • 可能需要 6 個小時或更長時間才能完成
  • 從在斷裂兩側建立單鏈懸垂區域開始，透過切除部分 5' -> 3' 鏈，MRN 在其中發揮著重要作用
  • MRN 複合體 (MRE11-RAD50-NBS1) 握住 DNA 的斷裂末端，使 MRE11 附著在斷裂的 DNA 末端，而 RAD50 連線斷裂，NBS1 啟用 ATM 以啟動修復
  • BRCA1 由 H2AX 招募以調節 MRN 複合體的活性
  • 複製蛋白 A (RPA) 作為支架覆蓋每個單鏈懸垂
  • RAD51 複合體附著在 ssDNA 周圍以建立核蛋白絲，並搜尋同源鏈。參與該過程的 RAD51 有多種版本（例如 RAD51B、RAD51C、RAD51D、XRCC2、XRCC3）
  • BRCA2 促進 RAD51 載入到 RPA 覆蓋的單鏈懸垂上
  • FANC-D2 調節 BRCA2 的功能，也參與 S 期檢查點
  • RAD52 和 RAD54 是該過程中 RAD51 的輔助蛋白
  • 解旋酶 BLM、TopIIIA、WRN 和其他解旋同源 DNA 雙鏈；RAD54 也可能在該過程中發揮一定作用
  • 根據同源模板複製受損鏈所涉及的聚合酶和連線酶的身份尚不清楚，儘管連線酶 I 可能參與其中
  • MMS4 和 MUS81 解決Holliday 連線交叉
  • 遺傳綜合徵

單鏈退火 (SSA)

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  • NHEJ 和 HR 之間的過渡過程
  • 斷裂兩側的每條鏈都被消化掉，直到在剩餘的兩條鏈之間找到同源區域
  • 兩條單鏈在該點退火
  • 被消化的互補鏈被重建
  • 導致遺傳資訊丟失
  • 請參閱此頁面以獲取更多詳細資訊和圖片

NHEJ 與 HR

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  • NHEJ 在細胞週期的所有階段都發生
  • HR 僅針對分裂細胞，因為它發生在 S 和 G2 期
  • 在 G1 期，雙鏈 DNA 損傷用 NHEJ 修復，而在 S-G2 期，這兩個過程都很活躍，並且相互競爭
  • 因此，在緩慢分裂或不分裂的組織（例如脊髓或基質組織）中，主要的修復過程是 NHEJ
  • 有一些證據表明 MRN 在這兩個過程中都很活躍，並且它可能調節分裂細胞中 NHEJ 和 HR 之間的選擇
  • 如果其中一個元件有缺陷，會導致各種基因組不穩定疾病和惡性腫瘤增加
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  • 用於 DNA-DNA 和 DNA-蛋白質交聯的基因和通路正在研究中
  • 該通路依賴於同源重組


DNA 修復文獻

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  • 薩爾蘭（德國）；2008 年 PMID 18805648 -- "複雜正常組織中的 DNA 雙鏈斷裂重接。" (Rube Ce, Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2008 年 9 月 19 日。[提前出版])
    • 小鼠模型中的 TBI。透過 γH2AX 分析早期反應（小腸）和晚期反應（肺、腦、心臟、腎臟）組織中 DSB 的形成和重接
    • 結果：γH2AX 與劑量的線性劑量相關性。各種正常組織表現出 γH2AX 焦點損失的相同動力學，儘管臨床放射反應不同
    • 結論：各種器官中 DSB 重接的相同動力學表明組織特異性放射反應差異獨立於 DSB 重接
  • 牛津；2008 年 PMID 18571480 -- "兩種主要修復通路在複雜雙鏈 DNA 斷裂處理中的相互作用。" (Dobbs TA, DNA Repair (Amst). 2008 年 8 月 2 日；7(8):1372-83。提前出版 2008 年 6 月 20 日)
    • 鹼基切除修復和 DSB 連線的評估
    • 結論：複雜 DSB 修復效率降低
  • 倫敦研究學院；2008 年 PMID 18596698 -- "依賴於 Mre11-Rad50-Nbs1 的 DNA 斷裂處理產生刺激 ATM 活性的寡核苷酸。" (Jazayeri A, EMBO J. 2008 年 7 月 3 日。[提前出版])
  • 韋恩州立大學；2007 年 PMID 17967316 -- "從低劑量超放射敏感性到放射抗性增加的生存轉變獨立於 ATM SER1981 活性啟用。" (Krueger SA, Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2007 年 11 月 15 日；69(4):1262-71.)
    • ATM 和下游 G2 細胞週期檢查點在低劑量超放射敏感性中的作用
  • 哈佛大學；2007 年 PMID 17525332 -- "ATM 和 ATR 底物分析揭示了對 DNA 損傷有反應的廣泛蛋白網路。" (Matsuoka S, Science. 2007 年 5 月 25 日；316(5828):1160-6.)
    • ATM/ATR 磷酸化蛋白的蛋白質組學分析
    • >900 個受調節位點在 >700 個蛋白質上發現，許多參與 DNA 損傷反應

ERCC1

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  • 影響由紫外線引起的損傷、誘導體積大的 DNA 加合物的外部化學物質（如順鉑）造成的損傷
  • 核苷酸切除修復複合體中的 1/16 個基因
  • 與 XPF 形成異二聚體，它在損傷部位的相對位置上切除 5' DNA 鏈。這是切除過程的最後一步
  • PMID 16957145 -- "ERCC1 在非小細胞肺癌和基於順鉑的輔助化療中的 DNA 修復。" (Olaussen, N Engl J Med. 2006 年 9 月 7 日；355(10):983-91.)
    • 切除的 NSCLC 化療益處的預後

損傷 - 修復的摘要

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  • 胸腺嘧啶乙二醇 - BER
  • 8-OH-鳥嘌呤 - BER
  • 尿素/尿嘧啶 - BER
  • 體積大的加合物、嘧啶二聚體 - NER
  • 核苷酸錯誤 - 錯配修復
  • DNA 雙鏈斷裂 - NHEJ 或 HR

評論

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  • 2007 年 PMID 17512070 -- "共濟失調毛細血管擴張症和相關綜合徵中 DNA 損傷誘導的訊號傳導。" (Lavin MF, Radiother Oncol. 2007 年 6 月；83(3):231-7。提前出版 2007 年 5 月 23 日)
  • 2007 年 PMID 18066093 -- "DNA 雙鏈斷裂修復和發育。" (Phillips ER, Oncogene. 2007 年 12 月 10 日；26(56):7799-808.)
  • 2002 年 PMID 12016139 -- "感知和修復 DNA 雙鏈斷裂。" (Jackson SP, Carcinogenesis. 2002 年 5 月；23(5):687-96.)
  • 1998 年 PMID 9806612 -- "監測和訊號傳導哺乳動物細胞中輻射誘導的損傷。" (Szumiel I, Radiat Res. 1998 年 11 月；150(5 Suppl):S92-101.)
取自 "https://wikibook.tw/wiki/Radiation_Oncology/Radiobiology/DNA_Repair"
華夏公益教科書