百科：DNA修復維系生命

北京時間10月7日17點45分，諾貝爾化學獎評審委員會在瑞典皇家科學院宣布，將2015年諾貝爾化學獎授予瑞典科學家托馬斯·林達爾、美國科學家保羅·莫德里奇和土耳其科學家阿齊茲·桑卡，表彰他們發(fā)現(xiàn)了細胞修復自身DNA的機制，為治療癌癥等疾病提供了豐富的手段和廣闊的前景。
　　三種修復機制
　　林達爾是瑞典人，1938年1月28日出生于瑞典斯德哥爾摩，1967年從斯德哥爾摩卡羅林斯卡醫(yī)學院獲得醫(yī)學博士學位，隨后去美國普林斯頓大學和洛克菲勒大學做博士后研究。移居英國后，林達爾于1981年加入帝國癌癥研究基金會（現(xiàn)在的英國癌癥研究中心），成為研究人員。目前任職于英國弗朗西斯-克里克研究所。他是挪威科學和文學研究院的成員，2010年，林達爾因對RNA修復的研究被授予英國皇家學會皇家勛章。
　　
　　莫德里奇是美國人，1973年從美國斯坦福大學獲得博士學位，目前為美國杜克大學教授及美國霍華德-休斯醫(yī)學研究所研究人員。莫德里奇因對DNA（基因）修復研究而聞名。
　　?？ㄊ峭炼淙耍〒碛型炼?、美國雙重國籍），1946年生于土耳其薩武爾，在土耳其的伊斯坦布爾大學獲得學士學位，并在C·斯坦·魯伯特博士指導下獲得博士學位。?？▽ｉT從事DNA修復、細胞周期、生物時鐘方面的研究，于2005年當選為美國科學院院士，目前是美國北卡羅來納大學教堂山分校生物化學教授。
　　DNA是細胞中的核心部分，蘊藏著生物體的所有遺傳密碼，所有的遺傳密碼也稱基因組。一個細胞中的DNA鏈抽取出來并拉直，其長度可超過2米。人體內的細胞高達數(shù)十億個，所有細胞的DNA加起來的長度，可以往返地球和太陽之間250次。
　　人體細胞的DNA每天都受到來自外界的猛烈攻擊，如化學反應、宇宙射線和溫度變化等，這些因素都會對DNA造成破壞。但是，人體的基因并沒有因此變成一堆亂碼和降解。相反，大多數(shù)時候，它們一直循規(guī)守紀地在人體內保持完整狀態(tài)。原因在于，人和生物體都有一系列DNA修復系統(tǒng)和機制。
　　三位科學家因為各自闡明了與人類相關的若干DNA修復過程和機制而獲得今年的諾貝爾化學獎。他們的研究成果涉及三種不同的DNA修復機制。
　　林達爾的發(fā)現(xiàn)稱為堿基切除修復，即細胞里有一種蛋白質（糖苷水解酶），專門尋找和識別一種特定的DNA堿基錯誤，然后把它從DNA鏈上切掉，從而修復DNA。
　　莫德里奇的發(fā)現(xiàn)稱為DNA錯配修復，指的是，細胞會對DNA鏈進行標記，一些特定的蛋白質（酶）可以憑借這種標記來判斷哪條是舊有的、哪條是新加的（錯誤的）DNA鏈，從而知道該去修復誰。
　　?？ǖ陌l(fā)現(xiàn)稱為核苷酸切除修復，指的是細菌的DNA在致命的紫外線照射之后，如果再用可見藍光照射，能死里逃生，復蘇過來。把細菌DNA從紫外線的損傷中解救出來的功臣是光解酶，這個過程被稱為核苷酸切除修復。
　　這三種發(fā)現(xiàn)都闡明了DNA修復的某種機理，其中，任何一種DNA修復出現(xiàn)問題，都會導致疾病，如患癌。堿基切除修復如果有缺陷，會增加患肺癌的風險;DNA錯配修復如果出現(xiàn)問題，會增加患遺傳性結腸癌的風險;核苷酸切除修復如果遭受先天性損傷，會讓人對紫外線極為敏感，并且在陽光下暴露后會發(fā)展為皮膚癌。
　　此外，DNA修復系統(tǒng)缺失還會導致神經退行性疾病，如老年性癡呆，以及衰老等。
　　林達爾的貢獻
　　20世紀60年代的科學界認為，保持穩(wěn)定是蘊藏大量遺傳信息的DNA的一種特性，否則，人和其他生物就不會有“龍生龍鳳生鳳”的繁衍，而且體現(xiàn)為后代與親代幾乎一模一樣的相貌和性格特征。
　　但是，當時正在美國普林斯頓大學進行博士后研究的林達爾對DNA的穩(wěn)定性提出質疑，這是他從自己研究的主要對象RNA進行試驗后產生的疑問，因為在試驗中會對RNA加熱，結果導致RNA分子迅速降解。那么，如果DNA受到外界因素，如加熱和輻射的影響，是否會造成DNA的不穩(wěn)定呢？
　　幾年后他返回瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學院，開始尋找這一問題的答案。一些直接試驗結果證明他的懷疑是正確的，DNA雖然有較強的穩(wěn)定性，但仍然會發(fā)生降解和損害。林達爾估計，每天基因組都會發(fā)生數(shù)千次的損傷，這與生命能持續(xù)存在并完好無缺的現(xiàn)象直接相悖。這也意味著，DNA可能存在著一套修復DNA（基因）缺陷的系統(tǒng)。
　　
　　為解開這個謎團，林達爾采用細菌為研究對象，尋找能修復損傷DNA的物質。細菌的DNA與人類一樣，也是由腺嘌呤脫氧核苷酸（A）、鳥嘌呤脫氧核苷酸（G）、胞嘧啶脫氧核苷酸（C）和胸腺嘧啶脫氧核苷酸（T）四種核苷酸組成。DNA分子中最薄弱的核苷酸是胞嘧啶，容易失去氨基并導致遺傳信息發(fā)生改變。
　　在正常的DNA雙螺旋結構中，胞嘧啶C和鳥嘌呤G配對，但是，失去氨基的胞嘧啶C會變成另一種堿基尿嘧啶（U），后者會與腺嘌呤A配對，這是一種堿基錯配。如果這種錯配持續(xù)存在，就會在DNA復制后發(fā)生基因突變。由此，林達爾認為，細胞必須有修復這種變化的方法，例如，有某種修復堿基錯配的酶。
　　經過多年的潛心研究，林達爾于1974年發(fā)現(xiàn)了尿嘧啶糖苷水解酶，這是第一種DNA損傷修復系統(tǒng)，該酶可將尿嘧啶U切除，隨后還有第二種酶將剩余的戊糖和堿基切除，最后在DNA聚合酶催化下根據模板鳥嘌呤G的信息重新修復為胞嘧啶C。
　　從1980年到1996年，林達爾在體外試驗中確定了人體內DNA堿基切除修復機制。
　　這項研究開啟了DNA修復機制研究的大門，并讓人們明白，DNA會以一定的速率發(fā)生衰變，但是堿基切除修復機制會不斷抵消DNA的受損。莫德里奇的貢獻
　　莫德里奇在美國新墨西哥州一個小城長大。1963年，莫德里奇17歲時，做生物老師的父親告訴他DNA很重要，那一年恰恰是沃森-克里克因發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的第二年。父親對他說：“你應該去學一點DNA的知識?！?br /> 　　
　　此后，莫德里奇不僅學了生物，而且一直以DNA為研究對象。在斯坦福大學讀博士和做博士后研究，以及在杜克大學擔任助理教授期間，莫德里奇始終與DNA酶打交道，使用DNA連接酶、DNA聚合酶以及限制性內切酶開展研究。20世紀70年代末，莫德里奇的研究興趣轉向Dam甲基化酶，獲得了重大發(fā)現(xiàn)。
　　Dam甲基化酶負責DNA與甲基成分結合，是由大腸桿菌染色體編碼的兩種甲基化酶之一，是Dam基因的產物，可將GATC序列中的腺嘌呤轉變成6-甲基腺嘌呤。莫德里奇的研究表明，這種甲基成分可以充當標簽，幫助特定限制性內切酶在DNA分子鏈正確位置上切割。在此之前，美國哈佛大學分子生物學家梅塞爾森發(fā)現(xiàn)一種帶數(shù)個DNA堿基錯誤配對的細菌病毒在其堿基配對中，原本應該在腺嘌呤A對面的胸腺嘧啶T被改成了胞嘧啶C。他用這些病毒去感染細菌時，這些被感染的細菌竟然修復了這些配對錯誤。
　　因此，梅塞爾森在1976年提出一種猜想，細菌存在某種修復機制，能在DNA復制時改正錯誤。莫德里奇與梅塞爾森合作，共同創(chuàng)造了一種帶有數(shù)個DNA配對錯誤的病毒。莫德里奇的Dam甲基化酶用來為DNA鏈添加
　　甲基。當用這些病毒感染細菌之后，受感染的細菌改正了那些缺乏甲基的DNA分子鏈。這表明，DNA配對錯誤的修復是一種自然過程，能夠在DNA進行復制時修正其中的錯誤，其原理是利用未甲基化的DNA作為參考鏈，識別存在配對錯誤的DNA鏈。
　　DNA錯配修復需要區(qū)分母鏈和子鏈，做到只切除子鏈上錯誤的核苷酸，而不會切除母鏈上本來就正常的核苷酸，然后通過DNA聚合酶Ⅲ和DNA連接酶的作用，合成正確配對的雙鏈DNA。DNA錯配修復是一個系統(tǒng)在起作用。這個系統(tǒng)主要包括錯配矯正酶、DNA聚合酶Ⅲ和DNA連接酶等多種蛋白參與，步驟分為啟始、切除和修復。
　　莫德里奇在1989年發(fā)表了相關工作的結果，這些結果只是對細菌研究獲得。莫德里奇也對人體內的這一修復機制進行了研究。人體細胞的DNA進行復制時，這種配對錯誤修正機制也起到了關鍵性的作用，但目前仍然不清楚機體是如何識別最初版本的那條染色體鏈的，即原核生物是依靠甲基化程度來判斷哪條是新合成鏈，而真核生物是如何識別錯配單鏈的機制尚未明確。
　　桑卡的貢獻
　　?？ǖ呢暙I是發(fā)現(xiàn)了核苷酸切除修復機制。?？ㄔ谝了固共紶柎髮W學醫(yī)學時就對生命分子非常癡迷。畢業(yè)后，?？ㄔ谕炼渥隽藥啄赆t(yī)生，1973年?？òl(fā)現(xiàn)，致命劑量紫外線照射細菌使其死亡后，藍色光可讓這些細菌復活。這引起了他的極大興趣，并決定解開這個謎，由此他選擇了學生物化學。
　　由于美國科學家魯伯特曾研究過這一現(xiàn)象，?？Q定到達拉斯的魯伯特實驗室學習。1976年，?？ㄍ瓿闪怂牟┦空撐模撜撐慕忾_了細菌復活的一些奧秘。桑卡克隆了紫外線DNA損傷的修復酶基因：光修復酶，并成功地用細菌進行了表達。但是，這一研究并沒有引起人們太多關注。
　　博士畢業(yè)后，?？ㄏ群笕紊暾埐┦亢笱芯柯毼欢嘉闯晒Α：髞?，桑卡在美國耶魯大學醫(yī)學院找到一份實驗室技術員的工作，得以繼續(xù)開展對DNA修復機制的研究，正是在這里?？ㄍ瓿闪似浍@得諾貝爾化學獎的工作。
　　美國耶魯大學的研究人員早在20世紀60年代中期就開始對細菌在黑暗中具有某種修復DNA的機制進行了研究。他們借助三種對紫外線敏感度不同的細菌，確定了uvrA、uvrB和uvrC三種蛋白不同的基因變異。加上?？ǖ难芯?，人們知道細菌擁有兩種紫外線損傷DNA的修復機制，一種是光修復酶，需要依靠光照發(fā)生作用。另一種是在黑暗中起作用的三種蛋白（酶）。
　　桑卡對這種黑暗中起作用的修復機制也充滿極大興趣。1983年，他成功確定了與這三種不同基因變異相關的修復酶，即鑒定出了黑暗修復系統(tǒng)的三種蛋白（uvrA、uvrB和uvrC），并闡明了DNA損傷修復機制。
　　原來紫外線照射可使相鄰兩個胸腺嘧啶堿基TT自身以共價相連形成二聚體，黑暗修復系統(tǒng)的三種蛋白可特異性識別DNA損傷部位，并
　　能分別在受破壞DNA片段的上方和下方鏈條上進行兩次切割，切除整個受破壞的12～13個核苷酸DNA片段。切除造成的切口在DNA聚合酶的催化下最終完全修復。這就是核苷酸切除修復。
　　DNA修復的應用
　　
　　除了堿基切除修復機制、配對錯誤修復機制和核苷酸切除修復機制外，細胞還存在著其他一些DNA修復機制，用以維護DNA序列的穩(wěn)定，并維護生命。這些修復系統(tǒng)隨時修正數(shù)以千計因太陽照射、吸煙或其他有害物質攝入導致的DNA損壞，對抗每次細胞分裂時出現(xiàn)的DNA自發(fā)性突變傾向，在復制階段，需要修正數(shù)以千計的錯誤配對。一旦離開這些修復機制，人的基因組將會崩潰。只要有錯誤發(fā)生，遺傳信息就可能發(fā)生變化，患癌的風險也會明顯上升。
　　人之所以患各種癌癥一定與這些DNA修復機制被關閉或失效有關。一旦這些DNA修復機制失去作用，癌細胞DNA就會變得不穩(wěn)定，這也是為何癌細胞時常會發(fā)生變異并變得對化療耐受的原因。同時，癌細胞甚至比健康細胞有更強大的修復能力。一旦離開了修復機制，癌細胞的DNA會遭受嚴重破壞，細胞也會死亡。
　　現(xiàn)在研究人員正在嘗試利用這一點開發(fā)抗御癌癥的藥物。促進癌細胞已受損的修復機制加速崩潰或抑制癌細胞的修復機制，就能減緩甚至阻止癌細胞生長。
　　根據DNA修復機理研發(fā)的藥物最為著名的是聚腺苷酸二磷酸核糖轉移酶（PARP）抑制劑，這既是當今癌癥治療的一個新靶點，也是利用DNA修復原理形成的一種新化療方法（化學藥物）。由于PARP參與DNA修復和轉錄調控，因此不僅在調節(jié)細胞存活和凋亡過程中具有關鍵作用，而且也是腫瘤發(fā)展和炎癥發(fā)生過程中的主要轉錄因子。PARP在堿基切除修復的DNA單鏈缺口（SSBs）修復中具有關鍵作用，因此，抑制其活性能夠增強放療和DNA損傷類化療藥物的效果。
　　
　　大量試驗表明PARP抑制劑既可作為放化療增敏劑使用，也可單獨使用，可選擇性殺傷DNA修復缺陷的腫瘤細胞，如BRCA1和BRCA2缺陷的乳腺癌細胞。PARP抑制劑通過抑制癌細胞DNA損傷修復、促進癌細胞發(fā)生凋亡，從而增強放療以及烷化劑和鉑類藥物化療的療效。
　　除了可提高化療藥的療效外，PARP抑制劑作為單藥對BRCA突變的患者也有效。BRCA突變的患者基因重組功能已經缺失，再通過PARP抑制劑抑制癌細胞DNA的修復，則可以加速癌細胞死亡。另外，PARP抑制劑不僅對BRCA1或BRCA2突變產生作用，也可能與許多還未發(fā)現(xiàn)的基因突變存在協(xié)同殺傷癌細胞的作用。
　　在DNA修復機理的啟示下，如今已有10多種PARP抑制劑在臨床使用或進行臨床試驗。未來，這方面的新藥還會層出不窮地產生。當然，從醫(yī)藥史的角度看，PARP抑制劑一類新藥可以稱為新型DNA藥物，是人類的第三次藥物革命。第一次藥物革命是20世紀30年代至60年代，以阿司匹林、青霉素為代表;第二次藥物革命是20世紀70年代到20世紀末，許多至今暢銷的藥物，如抗癌的化療藥物都是在這一時期發(fā)明的。第三次藥物革命產生的DNA藥物則已跨入精準醫(yī)療的門檻。
　　【責任編輯】張?zhí)锟?/p>