戴仕奎，洪澤輝

(1.東南大學(xué)生命科學(xué)研究院，江蘇南京 210009;2.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)系，江蘇南京 210009)

DNA作為細(xì)胞生命活動(dòng)最重要的遺傳物質(zhì)，保持其分子結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性對(duì)于細(xì)胞的存活和正常生理功能的發(fā)揮具有重要意義。環(huán)境因素以及細(xì)胞內(nèi)源性的一些因子都會(huì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)DNA造成損傷。如果DNA損傷不及時(shí)修復(fù)，就會(huì)造成DNA突變、基因表達(dá)異常、細(xì)胞周期受阻等，從而引起細(xì)胞凋亡或癌變[1-2]。共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因蛋白(ataxia telangiectasia mutated，ATM)、共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因Rad3相關(guān)蛋白(ataxia telangiectasia mutated and Rad3 related protein，ATR)和DNA依賴(lài)蛋白激酶催化亞基(DNA dependent protein kinase catalytic subunit，DNA-PKcs)都是DNA損傷后激活細(xì)胞應(yīng)答的重要激酶。這3種激酶參與不同類(lèi)型的DNA損傷修復(fù)，DNA-PKcs主要參與DSBs修復(fù);而ATM和ATR參與多種DNA損傷應(yīng)答，在功能上存在一定程度的互補(bǔ)，對(duì)復(fù)制期DNA的穩(wěn)定起著關(guān)鍵性作用。

由紫外線(xiàn)輻射造成的DNA損傷是最常見(jiàn)的一種損傷形式。在紫外線(xiàn)照射下，嘧啶脫氧核苷酸會(huì)產(chǎn)生畸變，主要形成嘧啶二聚體(cyclobutyl pyrimidine dimmers，CPDs)和 6-4 光產(chǎn)物((6-4)photoproduct，6-4PP)。紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答(UV damage response)是紫外線(xiàn)照射引起DNA損傷后細(xì)胞激活一系列反應(yīng)修復(fù)DNA損傷或激活凋亡的過(guò)程，包括核苷酸切除修復(fù)(nucleotide excision repair，NER)、細(xì)胞凋亡(apoptosis)、細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)(cell cycle checkpoint)激活等。ATR是紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答中最重要的激酶[3-4]。

1 ATR結(jié)構(gòu)與功能

ATR是300 kDa大小的蛋白，根據(jù)其功能分為ATRIP結(jié)合結(jié)構(gòu)域(ATRIP-interacting domain)、激酶結(jié)構(gòu)域(kinase domain)等結(jié)構(gòu)域[5-6](圖1)。N 端的ATRIP結(jié)合結(jié)構(gòu)域是ATR激活的重要結(jié)構(gòu)域，C端的激酶結(jié)構(gòu)域是ATR磷酸化下游蛋白重要結(jié)構(gòu)域。ATR是磷酸肌醇-3激酶相關(guān)激酶(phosphatidylinositol 3-kinase related kinase，PIKK)蛋白家族成員，具有將靶蛋白的絲氨酸或蘇氨酸磷酸化功能。在細(xì)胞生長(zhǎng)代謝、DNA損傷修復(fù)等過(guò)程有重要的作用，其激酶區(qū)序列與磷酸肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI-3K)家族蛋白有很高的相似性。ATR參與DNA損傷修復(fù)類(lèi)型比ATM更加廣泛，對(duì)復(fù)制期DNA的穩(wěn)定起著關(guān)鍵性作用。ATR可以感知紫外線(xiàn)引起的損傷，磷酸化下游的蛋白，如p53、Chk1、claspin等，從而調(diào)控核苷酸切除修復(fù)、細(xì)胞周期以及細(xì)胞的凋亡。

圖1 ATR結(jié)構(gòu)域示意圖(來(lái)自文獻(xiàn)[5])Fig 1 A sketch map of ATR domain

2 ATR參與紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答的基本機(jī)制

2.1 ATR 的激活

紫外線(xiàn)照射引起DNA損傷，參與核苷酸切除修復(fù)的蛋白會(huì)一步一步聚集到損傷位點(diǎn)(見(jiàn)下述NER過(guò)程)，RPA蛋白復(fù)合體結(jié)合到損傷位點(diǎn)以保護(hù)完整的那條DNA單鏈時(shí)，RPA會(huì)與ATRIP和RAD17復(fù)合體結(jié)合，ATR通過(guò)N端的ATRIP結(jié)合結(jié)構(gòu)域與ATRIP相互結(jié)合，所以ATR會(huì)隨著ATRIP結(jié)合到損傷位點(diǎn)。緊接著RFC復(fù)合體(RFC1-5)聚集到該位點(diǎn)上，Rad17會(huì)置換RFC1蛋白[7]，Rad17-RFC2-5復(fù)合體招募9-1-1復(fù)合體(RAD9-HUS1-RAD1)，之后，RAD9會(huì)被磷酸化，使得整個(gè)復(fù)合體結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生一個(gè)TopBP1結(jié)合位點(diǎn)，則TopBP1結(jié)合到該復(fù)合體上，TopBP1作為ATR輔助激活因子將 ATR 激活[5，8-9]。Overmeer 等[10]認(rèn)為，ATR的激活需要XPF將嘧啶二聚體5'端的DNA切開(kāi);但Ward等[11]研究認(rèn)為，紫外線(xiàn)誘導(dǎo)產(chǎn)生的損傷修復(fù)產(chǎn)生的ssDNA不足以激活A(yù)TR。在紫外線(xiàn)照射后，只有處在復(fù)制期的細(xì)胞才發(fā)現(xiàn)ATR聚集在染色質(zhì)上，ATR會(huì)聚集在停滯復(fù)制叉的ssDNA處，從而激活A(yù)TR，緊接著將H2AX和Chk1磷酸化，激活下游蛋白，磷酸化的H2AX促進(jìn)ATR保持激活狀態(tài)，使ATR穩(wěn)定結(jié)合在ssDNA處。

2.2 ATR參與紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答的基本機(jī)制(圖2)

ATR參與紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答主要是調(diào)控核苷酸切除修復(fù)、細(xì)胞檢測(cè)點(diǎn)的激活以及細(xì)胞凋亡信號(hào)通路。

2.2.1 ATR調(diào)控核苷酸切除修復(fù)

圖2 ATR在紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答中的作用Fig 2 A sketch map of ATR kinas function in repair of UV-induced DNA damage

核苷酸切除修復(fù)是修復(fù)紫外線(xiàn)引起的DNA畸變的主要方式。核苷酸切除修復(fù)主要分為全基因組核苷酸切除修復(fù)(global genome nucleotide excision repair，GG-NER)和轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)核苷酸切除修復(fù)(transcriptioncoupled nucleotide excision repair，TC-NER)[12]。GGNER主要是執(zhí)行全基因組的修復(fù)，而TC-NER主要是發(fā)生在基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的一種快速修復(fù)方式。GGNER的過(guò)程主要有四步:(1)XPC-hHR23B蛋白復(fù)合物識(shí)別嘧啶二聚體。(2)TFIIH復(fù)合物解旋嘧啶二聚體處的DNA雙鏈。(3)ERCCl-XPF復(fù)合物和XPG分別切除嘧啶二聚體5'端和3'端的3'-5'磷酸二酯鍵，造成24-32個(gè)核苷酸缺口。(4)DNA聚合酶ε和δ在PCNA協(xié)助下合成新的DNA片段，最后LIG1連接酶連接，完成整個(gè)修復(fù)過(guò)程。TC-NER與GG-NER的區(qū)別在于起始的識(shí)別機(jī)制不同，識(shí)別過(guò)程是依賴(lài)于RNA聚合酶的作用[12]。已有研究表明，ATR可以通過(guò)調(diào)控著色性干皮病蛋白A(xeroderma pigmentosum group A，XPA)的核質(zhì)分布和p21的泛素化參與核苷酸切除修復(fù)。

2.2.1.1 ATR調(diào)控XPA核質(zhì)分布 XPA是核苷酸切除修復(fù)中的一個(gè)重要的參與蛋白，人體細(xì)胞中缺失XPA會(huì)造成著色性干皮病(xeroderma pigmentosum)[13-14]，XPA是一個(gè)32 kDa含鋅的金屬蛋白。核苷酸切除修復(fù)中，hR23B、DDB2、XPC這些蛋白識(shí)別損傷位點(diǎn)后，XPA同RPA、TFⅡH一起結(jié)合到損傷位點(diǎn)，XPA能夠招募下游參與核苷酸切除修復(fù)的蛋白結(jié)合到損傷位點(diǎn)，從而促進(jìn)修復(fù)的進(jìn)行。

Auclair等[15]研究發(fā)現(xiàn)，ATR沉默或缺陷會(huì)影響S期細(xì)胞的核苷酸切除修復(fù)。正常的細(xì)胞中，XPA在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中都存在，但核質(zhì)中的含量隨著細(xì)胞周期的變化而變化，在G1、S期細(xì)胞質(zhì)中較多，而G2期細(xì)胞核中較多[16]。在 S期，紫外線(xiàn)照射引起的 DNA損傷使 ATR激活，激活的 ATR與 XPA結(jié)合[17]，將XPA磷酸化，促進(jìn)XPA進(jìn)入細(xì)胞核，參與核苷酸切除修復(fù)[18]。Chk1和p53是ATR下游重要的調(diào)控蛋白，XPA進(jìn)入細(xì)胞核，也依賴(lài)p53 S15位的磷酸化[16]。

2.2.1.2 ATR調(diào)控p21泛素化修飾 p21是一個(gè)分子量為21 kDa的蛋白質(zhì)，是細(xì)胞周期蛋白依靠性激酶抑制劑家族中的重要成員，是協(xié)調(diào)細(xì)胞周期、DNA復(fù)制、修復(fù)的重要蛋白。

p21同PCNA相互結(jié)合，抑制PCNA結(jié)合到DNA上，從而影響核苷酸切除修復(fù)。低劑量的紫外線(xiàn)照射(＜40 J·m－2)時(shí)，激活的ATR會(huì)調(diào)控Skp2這個(gè)E3泛素連接酶的作用(但也有研究認(rèn)為p21的降解依賴(lài)CRL4cdt2)，將p21泛素化，使p21被蛋白酶體降解，促使PCNA解離出來(lái)，結(jié)合到損傷的DNA上，參與核苷酸切除修復(fù)[高劑量紫外線(xiàn)照射(＞40 J·m－2)造成細(xì)胞DNA損傷過(guò)多，細(xì)胞會(huì)直接啟動(dòng)凋亡，此時(shí)p21不會(huì)被泛素化降解]。但ATR調(diào)控p21泛素化修飾的具體途徑目前還了解的不是很清楚，有可能還有其他蛋白參與這一過(guò)程，有待深入研究[19-21]。

2.2.2 ATR調(diào)控細(xì)胞周期

增殖狀態(tài)的真核細(xì)胞周期分為 G1、S、G2、M 4個(gè)時(shí)期，由細(xì)胞周期蛋白(cyclinA、B、C、D等)和細(xì)胞周期依賴(lài)激酶(cyclin dependent kinases，CDKs)這兩類(lèi)蛋白家族來(lái)調(diào)控細(xì)胞周期的進(jìn)程[22-23]，當(dāng)處在應(yīng)激狀態(tài)或者其他一些不利于細(xì)胞周期進(jìn)行的情況時(shí)，這兩類(lèi)蛋白家族蛋白根據(jù)所處的細(xì)胞周期啟動(dòng)G1/S、S、G2/M、有絲分裂中期相應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)。

紫外線(xiàn)輻射引起DNA損傷后，激活的ATR將Chk1、p53磷酸化，隨后 Chk1將 Cdc25A磷酸化，Cdc25A抑制cyclinA的表達(dá)，抑制其與CDK2相互結(jié)合，激活了G1/S和S/G2期細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)，抑制細(xì)胞周期的進(jìn)行。Chk1還可以將Cdc25C在S216位置磷酸化，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，14-3-3蛋白復(fù)合體結(jié)合到磷酸化的Cdc25C上，隨后Cdc25C/14-3-3復(fù)合體進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，抑制Cdc2的磷酸化，從而激活G2/M細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)[24]。

2.2.3 ATR調(diào)控紫外線(xiàn)誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡(apoptosis)是維持生物體微環(huán)境的重要調(diào)控方式，細(xì)胞在受到損傷無(wú)法修復(fù)的情況下啟動(dòng)凋亡程序，將受損細(xì)胞凋亡，以保護(hù)個(gè)體。紫外線(xiàn)誘導(dǎo)的凋亡的途徑可以分為p53非依賴(lài)性凋亡與p53依賴(lài)性凋亡。p53非依賴(lài)性凋亡有3種途徑:紫外線(xiàn)照射誘導(dǎo)細(xì)胞膜上的死亡配體(death ligand)釋放或者表達(dá)增加，同死亡受體(death receptor)結(jié)合增加，激活凋亡;紫外線(xiàn)照射直接使細(xì)胞膜上的死亡受體聚集，不需要死亡配體存在的情況時(shí)，激活凋亡;紫外線(xiàn)照射引起線(xiàn)粒體內(nèi)細(xì)胞色素C的釋放，激活凋亡途徑[25]。

紫外線(xiàn)誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡主要通過(guò)p53依賴(lài)性途徑，受ATR調(diào)控:紫外線(xiàn)損傷后，ATR被激活，將p53磷酸化，使得p53與MDM2解離開(kāi)，抑制p53被泛素化降解。當(dāng)DNA損傷無(wú)法修復(fù)時(shí)，磷酸化的p53可以將Apaf1激活，Apaf1將caspase9剪切激活，緊接著caspase9將caspase3剪切激活，caspase3作為凋亡的效應(yīng)蛋白使得細(xì)胞凋亡，同時(shí)p53也可以抑制線(xiàn)粒體細(xì)胞色素C激活的凋亡途徑[26]。但 Heffernan 等[27]卻在人角質(zhì)形成細(xì)胞(human keratinocyte)中發(fā)現(xiàn)，ATR通過(guò)磷酸化Chk1，從而調(diào)控由紫外線(xiàn)引起的細(xì)胞凋亡，p53并沒(méi)有參與。說(shuō)明ATR可能磷酸化Chk1或p53來(lái)調(diào)控細(xì)胞的凋亡，但ATR通過(guò)Chk1調(diào)控細(xì)胞凋亡的具體過(guò)程尚未闡明，有待進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

過(guò)去的十幾年間，ATR在維持基因組穩(wěn)定性的研究上取得了巨大的進(jìn)展。ATR參與紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答也有了很多新的發(fā)現(xiàn):ATR能夠調(diào)控細(xì)胞周期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的激活，同時(shí)也能夠激活細(xì)胞的凋亡。但ATR怎樣協(xié)調(diào)和選擇這兩個(gè)途徑的激活、進(jìn)行，同時(shí)會(huì)不會(huì)調(diào)控其他蛋白參與紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答，都不是很清楚，有待深入研究。

非黑色素瘤皮膚癌是指基層細(xì)胞瘤以及鱗片細(xì)胞瘤，是白種人最常見(jiàn)的惡性腫瘤，全球該腫瘤發(fā)病率在不斷上升中，這與人口老齡化以及陽(yáng)光輻射增加有直接的關(guān)系。我國(guó)香港地區(qū)的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)非黑色素瘤皮膚癌發(fā)病率在不斷的上升[28]。有多項(xiàng)研究表明經(jīng)常飲用茶或者咖啡會(huì)降低非黑色素瘤皮膚癌發(fā)生的概率，這是由于咖啡和茶中含有咖啡因，能夠抑制ATR的功能，促進(jìn)紫外線(xiàn)照射引起損傷的細(xì)胞凋亡，從而降低了該皮膚癌的發(fā)生概率[27]。目前，我國(guó)的皮膚癌發(fā)病率呈上升趨勢(shì)[29]，因此，對(duì)于ATR在紫外線(xiàn)損傷應(yīng)答中的功能，以及ATR抑制劑的研究對(duì)皮膚癌的治療有著重要的意義。

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