DNA双链断裂修复的选择性调控机制

在各种DNA损伤中,DNA双链断裂(double-strand break,DSB)是最为严重的一种,快速准确地修复DSB对维持基因组稳定性起着至关重要的作用。真核生物细胞通过一系列复杂的信号转导途径激活对DSB的修复,其中最为重要的是同源重组和非同源末端连接机制。最近的研究表明,这两种方式在DSB修复的早期是相互竞争的关系,其选择在很大程度上受到53BP1及同源蛋白质的调控。将讨论53BP1作为DSB修复途径的核心因子,在染色质水平整合BRCA1、Ct IP等修复因子和多种组蛋白修饰构成的信号途径,介导同源重组和非同源末端连接通路选择的分子机制。     

征服癌症的双刃刀--Rad51 D蛋白

人类Rad5l蛋白是同源重组的关键酶,发挥着链转移或链交换活性,启动DNA同源配对的作用。Rad51D蛋白是Rad51蛋白的5种同源物之一,对细胞调节有正反两种作用机制一方面作为辅助因子参与DNA修复同源重组,维持正常细胞周期;另一方面又是诱发癌症病变,防止癌细胞衰老的因素之一。Rad51D蛋白对细胞的作用机制,是人类征服癌症的双刃刀,如果阻止癌细胞的Rad51D蛋白作用可以促进癌细胞的死亡;而同时Rad51D蛋白作用的减弱将使细胞发生周期紊乱,产生新的病变。本文将近年来有关Rad51D的研究成果进行了整理,主要包括Rad51D蛋白的生物学特征和生物学功能两部分,同时对Rad51D蛋白的研究方向提出了自己的看法。     

DNA双链断裂损伤修复系统研究进展

多种内源或外源因素都能造成细胞基因组DNA损伤,细胞内建立了复杂的修复系统来应对不同形式的损伤。其中DNA双链断裂(DNA double-strand breaks,DSBs)作为最严重的损伤形式,主要激活同源重组修复(Homologous recombination repair)和非同源末端连接(Non-homologous end joining)通路。这两条通路都是由多个修复元件参与、经过多步反应的复杂过程。两者各具特点、协同作用,共同维护细胞基因组的稳定性。对其分子机制的阐明为肿瘤放化疗的辅助治疗提供了潜在的作用靶点。     

DNA双链断裂修复途径的选择与调控

DNA双链断裂(double strand break,DSB)是一种导致基因组不稳定性的高毒性损伤,可引起染色质畸变诱发癌症.真核生物中演化出多条保守的DSB损伤修复途径,其中最重要的修复途径是典型的非同源末端连接(clas-sical non-homologous end joining,cNHEJ)和同源重组(h...     

靶向Rad51与肿瘤治疗的研究进展

DNA损伤反应在维持细胞基因组稳定性和机体存活发挥重要作用。DNA双链断裂(Double strand breaks,DSBs)是DNA损伤最严重的形式。同源重组修复是体内参与DSBs损伤修复的重要机制之一,其中Rad51是体内参与同源重组性DNA修复的关键因子。Rad51在人类的多种肿瘤组织中高表达,如乳腺癌、非小细胞肺癌、前列腺癌等,与肿瘤的转移和恶化相关。如何有效下调肿瘤组织中的Rad51的水平,降低肿瘤细胞的DNA损伤修复能力,从而提高肿瘤治疗的疗效具有潜在的临床应用价值。本文对近年来的一个研究热点靶向Rad51在肿瘤治疗研究中的应用进行综述。     

耐辐射球菌DNA双链断裂修复机制研究新进展

耐辐射球菌对于电离辐射等DNA损伤剂具有极强的抗性,能够将同一个基因组中同时产生的高达100个以上的DNA双链断裂在数十小时内高效而精准地进行修复,是研究DNA双链断裂修复机制的重要模式生物。同源重组、非同源末端连接和单链退火途径作为3个主要的修复途径参与了耐辐射球菌基因组DNA双链断裂的修复过程。此外,一系列新发现的重要蛋白质,如Ppr I、Ddr B等对于耐辐射球菌基因组的修复过程同样至关重要。根据本实验室和国内外在这一研究领域近年来的报道,以不同的修复途径为线索,综述该菌DNA双链断裂修复机制的最新研究成果。     

为什么每个人都是独一无二的——谈谈基因的“洗牌”

世界上的每一个人都是特别的、独一无二的。这是由于每代人在形成生殖细胞时,都会对来自父亲和母亲的DNA进行"洗牌",即"同源重组",从而产生几乎无限种可能的基因组合形式。同源重组的过程源于DNA双链断裂的修复机制,是形成DNA多样性最主要的原因,所有的生物都利用同源重组交换遗传物质。由于基因"洗牌",每个人都会同时拥有"好"基因和"坏"基因,都会有自己独特的优点和局限性。如何扬长避短,是每个人都应该注意的问题。     

DNA双链断裂的非同源末端连接修复

细胞内普遍存在的DNA双链断裂(DSB)可通过同源重组(HR)或非同源末端连接(NHEJ)修复。由于HR仅在存在相同染色体作为模板的时候进行,因此,NHEJ通常为主要的修复方式。在NHEJ中,DSB末端首先由Ku识别,接着由核酸酶、聚合酶在Ku与DNA-PKcs协助下加工,并由连接酶IVXRCC4-XLF连接。NHEJ底物类型多样,末端的修复常包含反复加工的过程,导致修复产物通常无法复原损伤前的序列。虽然无法确保准确修复DNA,NHEJ仍对维持基因组的稳定性具有重要的意义。对NHEJ的研究有助于理解癌症的发生机制并将促进癌症的治疗。     

同源域的结构与功能

在过去的十年中,有关同源框（Homeobox)基因的研究进展异常迅速。同源框基因是控制动物胚胎发育的一类主控制基因。它们都含有一个由180个核苷酸组成的同源框序列;该序列编码的酸区域被称为同源域（Homeodomain)。同源框与同源域在所有后生动物中都高度保守。由于同源域涉及蛋白对DNA中特定核苷酸序列的识别与结合,对其结构与功能的研究有着重要的理论意义。本文综述了有关一些最新进展,包括同源域的三维结构、对DNA的识别模型、与DNA结合的特异性、其功能特异性、Antp同源域的跨膜转动及其在神经元分化中的作用等。（一）经过高分辨率的核磁共振技术和晶体X－射线衍射发现：它的结构包括螺旋I、螺旋I与II之间的连接环、螺旋II、转折区、螺旋Ⅲ、螺旋IV和呈无规则卷曲状态的两个末端;其中、螺旋I与Ⅱ之间,以6个氨基酸相连呈反向平等状态,螺纹旋Ⅲ、IV则与前两个螺旋垂直排列,而螺旋II与III则又紧密连接成一个螺旋－转折－螺旋的结构。另外,同源域的三维结构是同由一个疏水内核聚拢起来的。（二）经过核磁共振研究,建立了Antp同源域单体与14个碱基对DNA双螺旋之间结合的模型。该模型显示：Antp的识别螺旋（螺旋III与IV）在DNA双螺旋的大沟与DNA中ATTA序列的5′端结合,其N端的“臂”在双螺旋的小沟与ATTA序列的3′端结合,位于螺旋I与II之间的氨基酸环则在大沟另一侧与DNA的双螺旋骨架部分互相作用。（三）与同源域多肽相结合的DNA序列中大都含有一个四苷酸序列ATTA（在互补链上为TAAT）的核心结构花式序列,该序列能被不同的同源域蛋白有选择地结合,在该序列之前还有一个二核苷酸序列,可被不同的基酸残然识别。同源域这种结构特性决定了其功能特异性。这可能是以两种匠有机结合来决定的：一方面,不同的同源域蛋白在不同的辅助因子协助下共同完成对DNA的特异识别,另一方面,不同的同源域蛋白识别位点可以直接发挥作用。（四）值得注意的是,Antp同源域还能穿过神经元的细胞膜,进入到细胞核中,该过程不依赖于能量并且加速了神经元的形态分化。其机制还是一个迷。在LIM类和Hox类同源域中也观察到类似现象;很有可能,同源域在控制细胞分化的过程中起着关键作用。     

DNA双链断裂修复与重症联合免疫缺陷

DNA双链断裂(double-strand breaks, DSBs)是细胞DNA损伤的主要类型,它的修复通过同源重组(HR)和非同源末端连接(NHEJ)两种机制实现.NHEJ是人和哺乳动物细胞DSBs修复的重要通路,主要由DNA依赖性蛋白激酶(DNA-PK)、X射线修复交叉互补蛋白4(XRCC4)、DNA连接酶Ⅳ、Artemis、XLF/Cernunnos和其它DNA损伤修复辅助因子组成.本文重点介绍了NHEJ机制主要成分的特性及其功能,以及这些组分的基因发生突变或缺失所引起的DSBs修复缺陷与辐射敏感性重症联合免疫缺陷(radiosensitive severe combined immunodeficiencies, RS-SCIDs).     

DNA损伤修复机制——解读2015年诺贝尔化学奖

Tomas Lindahl, Paul Modrich和Aziz Sancar三位科学家因发现“DNA损伤修复机制”获得了2015年诺贝尔化学奖．Lindahl首次发现Escherichia Coli中参与碱基切除修复的第一个蛋白质--尿嘧啶 DNA糖基化酶（UNG）; Modrich重建了错配修复的体外系统,从大肠杆菌到哺乳动物深入探究了错配修复的机制; Sancar利用纯化的UvrA、UvrB、UvrC重建了核苷酸切除修复的关键步骤,阐述了核苷酸切除修复的分子机制．DNA损伤是由生物所处体外环境和体内因素共同导致的,面对不同种类的损伤,机体启动多种不同的修复机制修复损伤,保护基因组稳定性．这些修复机制包括：光修复(light repairing);核苷酸切除修复（nucleotide excision repair, NER）;碱基切除修复（base excision repair, BER）;错配修复（mismatch repair, MMR）;以及DNA双链断裂修复（DNA double strand breaks repair, DSBR）．其中DNA双链断裂修复又分同源重组（homologous recombination, HR）和非同源末端连接（non homologous end joining, NHEJ）两种方式．本文将对上述几种修复的机制进行总结与讨论．     

Ku基因在微生物中的研究进展

ku基因介导的非同源末端连接(NHEJ)途径是DNA双链断裂(DSBs)的一种修复机制,它不依赖于同源重组,且通过与之竞争而削弱同源重组。由于ku基因在生物进化过程中的高度保守性,其功能在很多微生物中已经得到研究,尤其在丝状真菌中,将ku基因敲除,在NHEJ途径缺陷的背景下,同源重组发挥主要作用,基因敲除的频率大为提高,从而方便了对基因功能的研究。     

动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的同源重组效率研究进展*

基因组编辑技术可以对DNA或RNA进行精准改造,极大地促进了生命科学的发展。CRISPR/Cas9系统在靶位点诱导DNA发生双链或单链损伤,细胞对损伤部位采用无供体模板的非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或有供体模板的同源重组(homologous recombination,HR)修复。基于HR的基因组编辑策略通常被用于获得DNA的精准改造,而NHEJ在动物DNA损伤修复中起主导作用。为了提升HR效率,研究人员设计了多种方案,包括CRISPR/Cas9系统优化和DNA修复通路调控等。从DNA损伤修复途径、Cas9变体选择、sgRNA设计、供体模板设计、DNA修复途径相关蛋白功能调控、供体模板募集效率提升、细胞周期调控及编辑细胞生存效率提升等方面详细综述了相关研究成果,发现尚未开发出放之四海而皆准的HR提升策略,基于HR的基因组编辑需要针对具体案例制定个体化策略。旨在为动物基因组编辑中提升CRISPR/Cas9介导的HR效率研究提供理论参考,为动物基因功能分析、基因治疗和经济动物基因编辑育种提供帮助。     

组蛋白去乙酰化酶抑制剂对DNA双链断裂修复路径的作用

DNA双链断裂(double strand breaks, DSBs)对细胞生存是致命的.细胞内非同源末端连接(NHEJ)、重组修复(HDR)、单链退火修复(SSA)和微同源序列末端连接(MMEJ)等通路可竞争性修复DNA双链断裂损伤.在肿瘤细胞DNA中制造难以修复的基因损伤,诱导肿瘤细胞周期中止、坏死和凋亡是临床放、化疗的主要策略.组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase）作为抗肿瘤治疗的新靶标,其抑制剂(histonedeacetylase inhibitors, HDACi)可显著降低肿瘤细胞DSBs修复能力,增强肿瘤细胞的放、化疗敏感性.研究显示,HDACi抑制了肿瘤细胞中具有正确修复倾向的HDR和经典NHEJ通路,具有错误修复倾向的SSA和MMEJ路径也可能牵涉其中.目前,HDACi作用于DSBs修复通路的分子机制已取得较大进展,但仍有许多问题有待阐明.     

动物基因组定点整合转基因技术研究进展

传统转基因技术,如显微注射、转座子、慢病毒转染等将目的基因插入基因组内的整合方式是随机的,这些随机整合对后期转基因动物品系组建和育种带来诸多不利,因此有研究人员提出了定点整合转基因技术。目前该技术的定点整合效率非常低,主要取决于两个方面：一是靶位点产生DNA双链断裂(double-strand break, DSB)的效率;二是断裂后的靶位点与携带同源臂及外源基因的供体质粒发生同源重组的效率,其中同源重组修复(homologous recombination repair, HDR)是基因组定点整合最为依赖的修复机制。靶位点产生DSB后,机体的DNA修复既可能发生HDR,也可能发生非同源末端连接(nonhomologous end joining, NHEJ),并且两者之间存在竞争关系,因此激活HDR或抑制NEHJ都可提高定点整合转基因的效率。本文结合影响定点整合的因素,对提高定点整合效率最新探索方面进行了综述。     

联会复合体:减数分裂的结构基础

减数分裂是有性生殖生物产生单倍体配子的特殊分裂方式,其第一次分裂(减数分裂I)过程中同源染色体的行为是最突出的特征。在减数分裂I,同源染色体间形成的联会复合体通过促进和调控程序性DNA双链断裂的形成和修复,确保同源染色体正确的识别、配对、重组和分离,从而为减数分裂I的顺利完成提供保障。本综述对联会复合体的组成和功能研究进展进行了回顾,探讨了联会复合体的组装如何影响程序性DNA双链断裂的修复和交叉互换的形成,并总结了与人类生殖障碍相关的联会复合体成分突变,还对该领域未来研究方向进行了展望。     

同源异形盒基因和肿瘤

最近,美国哈佛药学院的Ｆｏｒｄ发现同源异形盒(ｈｏｍｅｏｂｏｘ)基因在细胞周期、发育以及癌症发展中起着重要的链接作用[1]同源异形盒基因是与细胞正常分化、发育相关的转录因子,最初作为果蝇同源异形突变中的重要座位而得名。此后,陆续有170多个同源异形盒基因在各类物种中被发现。同源异形盒基因的共同点是具有183个核苷酸长度的同源区,编码61个氨基酸。同源异形盒基因同源区表达蛋白通过其ＤＮＡ结合活性及其下游基因转录活性发挥作用。Ｌａｗｒｅｎｃｅ等[2]推测哺乳动物同源异形盒表达蛋白的作用目标为编码细胞外层蛋白质的基因,粘…     

自噬与DNA损伤修复及其对肿瘤的影响

DNA损伤与肿瘤的发生发展密切相关。当DNA损伤发生时,会触发一系列的损伤应答反应以帮助细胞生存,其中即包括对自噬的诱导。ATM、P53和PARP1等多种参与DNA损伤修复的效应因子通过影响AMPK、mTOR以及一些凋亡蛋白等启动自噬。而作为一种降解途径,自噬则可通过调节DNA修复相关蛋白的水平直接影响同源重组修复、非同源末端连接修复和核苷酸切除修复等促进DNA修复,以及通过维持细胞内稳态间接促进DNA修复,从而在正常细胞的恶性转化和肿瘤耐药等发生机制中扮演重要角色。此外,DNA修复失败时,自噬也可作为一种肿瘤细胞的程序性死亡方式。因此研究自噬通过调节DNA损伤修复而对肿瘤的影响对于理解肿瘤发生的机制和提供治疗思路都有重要意义。     

形态和分子进化研究中的同源概念

在比较生物学中,同源是一个中心概念,是系统学的心脏,同源最基本的意义就是共同祖先。然而,这只是对同源的解释而非告诉我们怎样去发现它。同源又可被看成是特别类群间的联系。形态进化研究中同源比较的对象是生物的结构,而分子进化研究中的同源比较对象是DNA中的核着酸序列,现对这两种层次的同源概念及其相互间的关系进行讨论。       

DNA修复——基因组稳定性护卫机制的原创与发现之旅

基因组DNA是遗传的物质基础,编码的信息指导生物种系的复制延续、生命体的生长发育和代谢活动。无论是在外环境因素的应激压力下还是处于正常状态,DNA损伤时刻在发生,由此,DNA损伤修复作为重要的细胞内在机制,在维护基因组稳定性、降低癌症等人类系列重大疾病风险中发挥了不可替代作用。三位科学家汤姆·林达尔(Tomas Lindahl)、阿齐兹·桑贾尔（Aziz Sancar）、保罗·莫德里奇（Paul Modrich）因发现和揭示DNA修复及其机制的杰出贡献,获得2015年诺贝尔化学奖。本文综述了三位获奖者分别在DNA损伤的碱基切除修复、核苷酸切除修复和错配修复研究中的原创发现,以及相应的修复通路机制的描绘。此3种修复通路,主要是针对紫外线和化学物所致DNA的碱基损伤、嘧啶二聚体及加合物或者DNA复制过程中发生的碱基错误配对的修复。恰巧,2015年拉斯克基础医学研究奖授予的两位科学家,也因他们揭示了DNA损伤应答现象和机制研究的重大贡献而获奖,本文也呈现了获奖者的关键性科学发现。最后,简要展望了中国DNA损伤修复领域的发展。