淺談2015年諾貝爾化學獎：DNA的損傷修復

朱晨旭 宋靖慧 伊成器,2

(1北京大學生命科學學院 北京 100871； 2北京大學化學與分子工程學院 合成與功能生物分子中心 北京 100871)

淺談2015年諾貝爾化學獎：DNA的損傷修復

朱晨旭1宋靖慧1伊成器1,2

(1北京大學生命科學學院 北京 100871；2北京大學化學與分子工程學院 合成與功能生物分子中心 北京 100871)

DNA是生物體發揮功能的遺傳基礎，隨時都承受著來自體內或體外環境的各種壓力。這些壓力可以使DNA的化學結構發生變化，即產生“DNA損傷”；如果這些損傷不能被及時修復，會對生命體產生嚴重的后果。為了應對這樣的挑戰，細胞存在一系列的DNA損傷修復機制；這些機制的存在使得基因組在很長的時間內得以穩定維持。2015年度諾貝爾化學獎授予了托馬斯·林達爾、保羅·莫德里奇以及阿齊茲·桑賈爾，以表彰他們在DNA損傷修復研究領域的杰出貢獻。本文簡述了DNA損傷修復機制研究的發展歷程及其與人類健康密不可分的聯系。

DNA損傷 堿基切除修復 核苷酸切除修復 錯配修復

遺傳物質DNA是所有生命的藍圖，它是從最簡單的單細胞生物細菌到復雜的人類等生命體發揮功能的基礎。DNA由鳥嘌呤(G)、腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)及胞嘧啶(C)4種堿基組成，A-T以及C-G能分別形成特異性的氫鍵來互補配對，細胞利用這種特異性的配對關系復制DNA并將遺傳信息準確地傳遞給下一代。DNA的穩定結構與準確復制對生命體正常發揮功能起著決定性的作用。

當DNA堿基受到來自細胞內或者環境中的各種物理化學壓力時，其化學結構可能會發生改變：這種發生損傷的DNA如果不被修復的話，既可能影響堿基的正常配對而導致基因突變，也可能干擾DNA的復制與轉錄過程而直接導致細胞死亡。當人類從單個受精卵細胞發育為一個成熟的個體時，體內所有細胞DNA拉直長度相加會從最初的大約2米到地球與太陽距離的250倍。即使DNA經過了這么多輪的復制，卻仍然和最初的模板保持著驚人的一致。2015年的諾貝爾化學獎頒發給了托馬斯·林達爾(Tomas Lindahl)，保羅·莫德里奇(Paul Modrich)以及阿齊茲·桑賈爾(Aziz Sancar)這3位研究細胞內保持基因組穩定性的DNA修復機制的先驅者(圖1)[1]。

圖1 2015年諾貝爾化學獎獲得者[1]

在20世紀60年代時，人們普遍相信作為生命基礎的DNA分子是非常穩定的(圖2)：一方面，盡管生物體在進化過程中需要突變，但突變的頻率必須非常低，即在復制好幾代中只需要非常少的突變數量；另一方面，如果DNA分子很不穩定，那么多細胞生物個體經過了多次的復制之后細胞之間便會存在非常大的差異，而這顯然是不合理的。當時，托馬斯·林達爾正在普林斯頓大學進行RNA方面的博士后研究工作。當他加熱RNA分子時，這種與DNA結構很相似的分子總是會發生非常迅速的降解。雖然大家已經知道RNA分子相比DNA分子會更加不穩定，但是如果RNA分子能這么快被降解掉，DNA分子真的能在人類幾十年的生命過程都保持穩定嗎？這個問題深深地刻入了林達爾的腦海。但是，直到數年后林達爾回到了瑞典，他才真正開始尋找許多年前他所提出問題的答案。在卡羅琳斯卡學院，越來越多的實驗結果證明了他的猜想：DNA每天都在以一個不快但是不可忽略的速度進行降解。林達爾估測每個細胞的基因組中都會發生幾千次致命的損傷，這種頻率高到讓人類不可能在地球上存在，因此一定存在一種機制可以修復基因組中出現的這些損傷。由此，林達爾開啟了一個全新的研究領域。

圖2 DNA的結構與復制DNA由腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶4種堿基組成。腺嘌呤與胸腺嘧啶、鳥嘌呤與胞嘧啶能分別通過特異性的氫鍵來互補配對。DNA的雙螺旋可以通過螺旋盤繞形成高度致密的染色單體，從而將其長度壓縮為原長度的1/8000左右，使其能被細胞容納。DNA的兩條鏈在復制時都可以作為模板，復制合成新的DNA鏈。

托馬斯·林達爾最早使用細菌的DNA作為材料來尋找修復蛋白。胞嘧啶是組成DNA的4種堿基之一，其化學性質的一個“弱點”是它很容易發生氧化脫氨基從而轉變成尿嘧啶。在DNA雙螺旋結構中，胞嘧啶與鳥嘌呤配對，而發生脫氨基損傷的胞嘧啶(尿嘧啶)與胸腺嘧啶類似，從而更偏好與腺嘌呤配對。因此，如果這種胞嘧啶的損傷不被細胞修復的話， DNA進行復制時就會產生基因突變。林達爾意識到細胞內一定存在某些保護機制能夠抵消這種影響。1974年，他在細菌中鑒定出了可以去除DNA損傷的尿嘧啶DNA糖基化酶，這個發現開啟了連續幾十年的關于堿基切除修復的研究[2](圖3)。

在隨后的幾十年里，林達爾一直在繼續關于DNA修復蛋白的研究工作。在20世紀80年代初期，他加入了英國倫敦帝國癌癥研究院(Imperial Cancer Research)。由于出色的科研能力，他在1986年成為新成立的克萊爾大廳實驗室(Clare Hall Laboratory)的主任。經過日積月累，林達爾逐漸完成了生物體維持基因組穩定性的重要機制——堿基切除修復這幅分子拼圖。堿基切除修復對于修復基因組中能導致突變或會導致復制中止的損傷堿基至關重要。堿基切除修復過程的起始是由DNA糖基化酶來完成的，林達爾在1974年發現的第一個DNA修復蛋白就是一種DNA糖基化酶。DNA糖基化酶能將損傷堿基的糖苷鍵切斷，釋放損傷堿基并留下一個缺堿基位點(AP site)。缺堿基位點能被AP內切核酸酶(AP endonuclease)識別并切除，留下的缺口能被DNA聚合酶以互補鏈為模板進行合成修復。然而林達爾并不滿足于在細菌中的這些發現，他領導的研究小組于1996年最終證明，在人類細胞內也存在相似的修復機制，這為人類疾病與癌癥的研究打下了堅實的基礎[3](圖3)。

DNA損傷與衰老、疾病以及癌癥有著密不可分的聯系。在很多不同的組織中，如果與堿基切除修復相關的基因發生了突變，這些細胞會出現更高頻率的基因突變，說明了堿基切除修復功能缺失會促進癌癥發生[4]。實際上，在30%的人類癌癥體細胞中都發現了polβ基因的突變，這個基因所編碼的蛋白是在堿基切除修復的復制修復過程中發揮功能的主要聚合酶。MUTYH是人類細胞中用于修復DNA氧化損傷的一個重要的DNA糖基化酶，它的功能缺失導致更容易發生結腸癌[5]。

托馬斯·林達爾發現即使在細胞內相對溫和的條件下，DNA發生損傷也是不可避免的。可以想象，在一些更劇烈的條件下，DNA發生損傷的概率就更高了。比如，人們很早就認識到，紫外光照射會導致DNA損傷。細胞內紫外線照射引起的損傷是由核苷酸切除修復(nucleotide excision repair)來完成的，這項修復機制是由阿齊茲·桑賈爾發現并完善解釋的(圖3)。

圖3 DNA的修復機制

阿齊茲·桑賈爾出生在土耳其，當他從伊斯坦布爾大學獲得醫學博士學位后，在土耳其的鄉間做了幾年醫生。一個有趣的現象吸引了他：當細菌被紫外光照射到快死亡的時候，如果用藍色的可見光來照射它們，這些細菌又能馬上恢復生命力。這個“魔法”一樣的現象的化學本質是什么呢？當時美國科學家克勞德·魯普特(Claud Rupert)正在研究這種現象，被好奇心驅使的桑賈爾決定加入他在德克薩斯大學達拉斯分校的實驗室來從事生物化學研究。他利用當時簡陋的分子生物學研究條件，克隆了細菌中用于修復UV造成DNA損傷的重要蛋白——光裂合酶(photolyase)，并在細菌中過表達了這種蛋白。他將這項工作作為他的博士論文內容，但是當時人們對于這項工作并不感興趣：他分別向3個地方遞交了博士后研究申請，卻收到了3份拒絕信。他關于光裂合酶的研究被迫中止了，但是這并沒有打破他研究DNA修復的強烈愿望。桑賈爾前往了在DNA修復領域中最領先的研究所——耶魯大學醫學院，在那里作為技術工作人員繼續了最終使他獲得諾貝爾化學獎的研究工作。

當時人們已經認識到有兩套不同的系統可以應對UV造成的損傷：受光誘導的光裂合酶系統以及不受光誘導的暗反應修復系統。阿齊茲·桑賈爾在耶魯大學的新同事從20世紀60年代中期開始就一直在研究暗反應修復系統并從UV敏感的菌株中鑒定出了3個重要的基因突變：uvrA，uvrB及uvrC。桑賈爾利用之前研究光裂合酶的分子生物學基礎繼續研究暗反應修復系統中的關鍵基因，他用了數年時間鑒定并純化了uvrA，uvrB及uvrC所編碼的蛋白質。他所做的開拓性的體外實驗證明了這些酶能夠識別UV損傷的DNA，并在DNA發生損傷部位的兩端切除兩個缺口，產生一段包含有損傷長度為12～13個堿基的單鏈DNA片段[6]。他在1983年發表了這一重大發現，隨后他獲得了北卡羅來納大學的教職并在這里繼續進行他的研究工作。他帶領的研究小組發現，當損傷被移除后，與其互補的未損傷DNA單鏈可以作為模板重新合成新的DNA鏈，最后由DNA連接酶完成修復過程[7]。

桑賈爾也研究了人類細胞內修復UV損傷的分子機制。在真核細胞中的核苷酸切除修復比原核細胞要復雜一些，但是基本原理是類似的。真核細胞中的核苷酸切除修復可以分為全基因組核苷酸切除修復及轉錄偶聯核苷酸切除修復兩大類。兩類機制中包含不同的用于識別損傷的蛋白質，但在識別損傷之后，兩類機制共用同一套酶來完成切除單鏈、合成新鏈及連接的修復過程。全基因組核苷酸切除修復能同時發生在轉錄活躍和不活躍的基因上，并且獨立于轉錄進行。著色性干皮病(xeroderma pigmentosum)已經被證實與全基因組核苷酸切除修復的功能缺失相關，這種病的患者對于紫外線異常敏感，他們的身體若暴露在陽光下會有非常高的癌癥發病概率[8]。一般情況下，基因組中的絕大部分基因并不進行轉錄，而轉錄活躍的區域與不活躍的區域的核苷酸切除修復的效率是存在一定差異的。轉錄偶聯核苷酸切除修復主要負責更高效率的修復轉錄活性高的基因。當RNA聚合酶被DNA損傷阻礙時，轉錄偶聯核苷酸切除修復就會啟動，修復復合體會幫助RNA聚合酶后退便于損傷修復及重新繼續轉錄。科凱恩氏綜合征(Cockayne syndrome)及毛發硫營養不良(trichothiodystrophy)都對紫外光非常敏感，這些疾病也被證明與轉錄偶聯核苷酸切除修復的功能缺失相關[9]。

細胞中第3類非常重要的修復機制是錯配修復(mismatch repair，MMR)。MMR是由保羅·莫德里奇發現的。莫德里奇出生在美國新墨西哥州北部的一個小鎮，他的父親是一位生物教師。在1963年，沃森及克里克因為發現了DNA的雙螺旋結構而獲得諾貝爾獎后不久，莫德里奇的父親告訴他：“你應該學習一些關于DNA的事情”。幾年之后，“關于DNA的事情”成為了莫德里奇生活中最重要的部分。從他在斯坦福大學攻讀博士學位開始，到在哈佛大學進行博士后研究，以及后來在杜克大學作為助理教授進行的研究工作，他發現了一系列各種各樣與DNA相關的酶：DNA連接酶、DNA聚合酶以及限制性內切酶EcoRI。直到20世紀70年代末期，Dam甲基化酶(Dam methylase)的發現將他對于DNA的興趣集中在這個有趣的領域[10]。

Dam甲基化酶可以在DNA上進行甲基化修飾。保羅·莫德里奇認為這些甲基化修飾可以作為指示牌來指導一些特定的限制性內切酶在正確的地方切斷DNA。而恰恰在不久之前，來自哈佛大學的分子生物學家馬修·梅塞爾森則提出了DNA上的甲基化修飾以另一種完全不同的機制來發揮信號傳遞作用。梅塞爾森構建了一種在DNA中含有若干個錯配堿基的細菌病毒。當他使用這些病毒感染細菌的時候，宿主細菌能夠修復這些錯配。因此他推測，細菌中存在一種可以在DNA復制的過程中進行修復的機制，同時DNA中的甲基化修飾可以幫助細菌來區分模板鏈以及還沒有被甲基化修飾的新合成鏈：當發生錯配時，只有不帶甲基化的新合成鏈上的錯配堿基會被切除并修復[11]。

保羅·莫德里奇與馬修·梅塞爾森的工作在DNA甲基化上出現了交集。他們開始合作，構建了同樣含有錯配DNA的病毒，并同時使用Dam甲基化酶將其中的一條鏈進行了甲基化。當他們使用這種病毒感染細菌時，宿主細菌會不斷地修復未被甲基化的DNA鏈上的錯配堿基。莫德里奇及梅塞爾森總結了細胞內存在一種DNA錯配修復的機制，這種機制可以通過甲基化狀態來區分模板鏈與新合成的鏈并修復在復制過程中產生的錯配[12]。

梅塞爾森并沒有滿足于他們的發現，他在接下來的幾十年里一直專注于錯配修復的系統性的工作。通過逐個鑒定、克隆與錯配修復通路相關的基因，1989年他已經能在體外環境下成功地復現這種復雜的修復通路，清晰地揭示了錯配修復的分子機制[13]。與托馬斯·林達爾及阿齊茲·桑賈爾一樣，保羅·莫德里奇也研究了人類細胞中的錯配修復。不過直到今天，我們也只是知道細胞中的基因組在進行復制時，每復制1000個堿基就會產生一個錯配，這些錯配都是由錯配修復來進行校正的；但對于在人類細胞內錯配修復如何區分模板鏈與新合成鏈的機理仍然不是很清楚。錯配修復功能的缺失會提高癌癥發生的概率：如遺傳性非息肉病性大腸癌(HNPCC)與錯配修復中發揮關鍵作用的MSH2及MLH1的功能缺失聯系緊密[14]。

DNA本質屬性是化學物質，其化學特性決定了它很容易受到環境中的物理因素(如紫外光等)及化學因素(如空氣污染物等)的影響而發生化學結構的變化，從而產生DNA的損傷。同時在細胞的分裂過程中，復制過程也會產生錯配。堿基切除修復、核苷酸切除修復、錯配修復以及其他修復機制，通過多種生物化學反應途徑去除結構發生變化的損傷堿基、并將具有正確結構的正常堿基重新合成到DNA雙鏈中，保持了DNA分子的化學結構以及基因組的穩定性。

細胞中的DNA修復機制每天都在修復細胞內幾千個各種各樣的損傷，如果這些損傷不能被修復的話，我們的基因組將會很快崩塌。如果這些機制中的某一條通路出現了缺失，遺傳信息則會發生非常快的變化并帶來了極高的癌癥發病率。事實上，發生癌變的組織細胞中DNA修復機制往往都會缺失。修復機制的缺失會讓癌細胞的基因組更加不穩定，高突變率會讓癌細胞對化療出現耐藥性。但另一方面，這些癌細胞更依賴于還能夠工作的修復系統：如果所有的修復系統都不能正常工作了，癌細胞的DNA將會很快積累過多的損傷從而導致細胞死亡。研究者正在開發新的治療手段，期望利用癌細胞的這種弱點來攻克癌癥。

2015年諾貝爾化學獎授予給了托馬斯·林達爾，保羅·莫德里奇以及阿齊茲·桑賈爾關于DNA修復的工作。他們的工作不僅能幫助我們從更深層次認識我們自身是如何發揮功能的，同時也為人們攻克癌癥、提高人類壽命的不懈努力提供了重要的理論基礎與巨大的幫助。

[1] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/

[2] Lindahl T.ProcNatlAcadSciUSA,1974,71:3649

[3] Robins P,Lindahl T.JBiolChem,1996,271:24257

[4] Starcevic D,Dalal S,Sweasy J B.CellCycle,2004,3:998

[5] Farrington S M,Tenesa A,Barnetson R,etal.AmJHumGenet,2005,77:112

[6] Sancar A,Rupp W D.Cell,1983,33:249

[7] Sancar A,Sancar G B.AnnlRevofBiochem,1988,57:29

[8] Hou S-M,F?lt S,Angelini S,etal.Carcinogenesis,2002,23:599

[9] Qiao Y,Spitz M R,Guo Z,etal.MutationRes,2002,509:165

[10] Geier G E,Modrich P.JBiolChem,1979,254:1408

[11] Meselson M S,Radding C M.ProcNatlAcadSci,1975,72:358

[12] Pukkila P J,Peterson J,Herman G,etal.Genetics,1983,104:571

[13] Modrich P.JBiolChem,1989,264:6597

[14] Oki E,Oda S,Maehara Y,etal.Oncogene,1999,18:2143

A Brief Introduction to 2015 Nobel Prize in Chemistry: DNA Damage & Repair

Zhu Chenxu1Song Jinghui1Yi Chengqi1,2 *

(1SchoolofLifeSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China;2CollegeofChemistryandMolecularEngineering,SyntheticandFunctionalBiomoleculesCenter,PekingUniversity,Beijing100871,China)

DNA carries the genetic information for living organisms, but is challenged by both endogenous and exogenous stresses all the time. Chemical structures of DNA may be changed by these stresses and hence DNA damage can be produced. DNA damage may be cytotoxic or mutagenic when left unrepaired. Cells possess several pathways to repair DNA damage and maintain the stability of genome. The Nobel Prize in Chemistry 2015 was awarded jointly to Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar "for mechanistic studies of DNA repair". Here we briefly describe the history of DNA repair research and its enormous influence to human health.

DNA damage; Base excision repair; Nucleotide excision repair; Mismatch repair

10.3866/pku.DXHX20150601

*通訊聯系人，E-mail：chengqi.yi@pku.edu.cn

O6； G64