池林峰,楊 軍
( 1.浙 江中醫(yī)藥大學(xué),浙江 杭州 310053;2.浙 江大學(xué)醫(yī)學(xué)院,浙江 杭州 310058;3.杭 州師范大學(xué),浙江 杭州 310036 )
BRCA1在DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)中的研究進(jìn)展
池林峰1,楊 軍2,3,*
( 1.浙 江中醫(yī)藥大學(xué),浙江 杭州 310053;2.浙 江大學(xué)醫(yī)學(xué)院,浙江 杭州 310058;3.杭 州師范大學(xué),浙江 杭州 310036 )
乳腺癌易感基因BRCA1與乳腺癌、卵巢癌等腫瘤的發(fā)生緊密相關(guān)。此外,BRCA1還參與了許多重要的細(xì)胞信號(hào)通路,包括DNA損傷所誘發(fā)的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng),如DNA損傷導(dǎo)致的細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)的激活、DNA損傷修復(fù)、染色體重塑及細(xì)胞凋亡等。本文對BRCA1在DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)中的研究進(jìn)展,尤其是它在DNA雙鏈斷裂修復(fù)的兩種模式(非同源末端連接和同源重組)中的作用作一綜述。
BRCA1;DNA損傷應(yīng)激反應(yīng);同源重組;非同源末端連接
乳腺癌是女性癌癥中最普遍的一種,5%~10%的乳腺癌具有遺傳傾向,約2%與乳腺癌易感基因(breast cancer susceptibility protein 1,BRCA1)的突變相關(guān)[1]。BRCA1位于人類染色體17q21上[2],由24個(gè)外顯子組成,編碼1 863個(gè)氨基酸,其中第11號(hào)外顯子是其最大的外顯子,編碼60%以上的氨基酸。BRCA1具有兩個(gè)功能結(jié)構(gòu)域:氨基端具有E3泛素連接酶活性的指環(huán)結(jié)構(gòu)域和羧基末端促進(jìn)蛋白結(jié)合的串聯(lián)的BRCT(BRCA1 C Terminus)結(jié)構(gòu)域。多種腫瘤相關(guān)BRCA1突變位點(diǎn)均發(fā)生在這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域,暗示著這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域?qū)σ种迫橄侔┑陌l(fā)生具有重要作用[3]。
除了在腫瘤發(fā)生中的作用,越來越多的研究也表明BRCA1可在另一類重要的細(xì)胞反應(yīng),即DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)(DNA damage response,DDR)中同樣具有重要作用。人類的遺傳物質(zhì)DNA不斷受到諸如化學(xué)物質(zhì)、電離輻射、紫外光和X射線等外源因素和細(xì)胞正常代謝所產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)等內(nèi)源性因素的損傷。這些損傷可以導(dǎo)致堿基修飾、單鏈斷裂(single strand break,SSB)、雙鏈斷裂(double strand break,DSB)、鏈內(nèi)交聯(lián)(intrastrand crosslinks)、鏈間交聯(lián)(interstrand crosslinks)等多種DNA損傷。為了應(yīng)對這些DNA損傷,在進(jìn)化過程中細(xì)胞形成了特異性的DDR以保證細(xì)胞正常的生長和有機(jī)體的存活[4]。未修復(fù)的斷裂DNA會(huì)隨著有絲分裂傳遞給子代細(xì)胞,造成遺傳物質(zhì)的不穩(wěn)定并最終導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生[5]。已有的研究結(jié)果表明,當(dāng)細(xì)胞正常表達(dá)BRCA1時(shí),可以幫助細(xì)胞感知DNA損傷并修復(fù)DNA以保持遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定和抑制腫瘤的發(fā)生;而當(dāng)BRCA1發(fā)生突變時(shí)則會(huì)破壞細(xì)胞內(nèi)正常的DDR。因此BRCA1在DDR中的重要作用為其如何抑制癌癥的發(fā)生提供了部分理論依據(jù)。
當(dāng)遭受不同類型的DNA損傷時(shí),細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的DNA修復(fù)機(jī)制,比如非同源末端連接 (nonhomologous end joining,NHEJ)和同源重組(homologous recombination,HR)主要針對DSB進(jìn)行修復(fù);核苷酸切除修復(fù)(nucleotide excision repair,NER)針對鏈間交聯(lián)、紫外線導(dǎo)致的嘧啶二聚體等;堿基切除修復(fù)(base excision repair,BER)針對點(diǎn)突變;錯(cuò)配修復(fù)(mismatch repair,MMR)針對復(fù)制過程中產(chǎn)生的堿基錯(cuò)配等[6]。NHEJ和HR是真核生物進(jìn)行DSB修復(fù)的主要形式[7],目前研究結(jié)果已證明BRCA1在這兩條通路中都發(fā)揮重要作用。本文將簡述BRCA1在DDR中的研究進(jìn)展,尤其是在NHEJ和HR中的作用。
DDR是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,并且針對不同的DNA損傷形式細(xì)胞會(huì)啟用不同的信號(hào)通路,參與的細(xì)胞成分也不盡相同[8]。DDR是一系列的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟:當(dāng)細(xì)胞遭受DNA損傷時(shí),首先由感受器(sensor)感受DNA損傷,然后由傳遞分子(transducer/mediator)將信號(hào)傳遞到下游,再由執(zhí)行者(effector)完成損傷修復(fù)等功能;最后,一般還有一個(gè)信號(hào)終止(signal attenuation/termination)的過程[8-9]。例如,在DSB的DDR中,MRN復(fù)合物(Mre11/Rad50/Nbs1 Complex)在感受DSB中起著關(guān)鍵作用[10]。被MRN復(fù)合物活化的磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)家族的成員,包括共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因(ataxia telangiectasismutated,ATM)、Rad3相關(guān)蛋白(ATM and Rad3-related,ATR)和DNA依賴性蛋白激酶(DNA-dependent protein kinase,DNA-PK),它們通過直接或間接地磷酸化功能執(zhí)行分子如CHK1、CHK2[11],最終導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯以利于通過HR或NHEJ對DNA DSB進(jìn)行修復(fù)[12]。此外,多聚(ADP-核糖)聚合酶[poly(ADP-ribose) polymerase,
PARP]家族成員主要識(shí)別SSB[13],而范可尼貧血(Fanconi anemia,F(xiàn)A)家族成員則參與鏈間交聯(lián)的識(shí)別[14]。
DSB是細(xì)胞所遭受的最嚴(yán)重的損傷之一,可由內(nèi)源(細(xì)胞代謝物)或外源(電離輻射、化療藥物)的因素造成[15]。未修復(fù)或錯(cuò)誤修復(fù)的DSB會(huì)導(dǎo)致染色體變異、細(xì)胞死亡,或最終導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。真核生物形成了一系列的DSB修復(fù)機(jī)制,其中NHEJ和HR是最主要的兩種形式[16]。NHEJ不需要同源模板的存在而直接將斷裂的DNA末端連接起來,主要發(fā)生在G1和早期的S期細(xì)胞中[17],其核心成分是DNA-PK。在這一過程中,當(dāng)DNA雙鏈發(fā)生斷裂時(shí),Ku70/Ku80以二聚體的形式結(jié)合到DNA雙鏈斷裂的末端,并召集DNA蛋白激酶催化亞基(DNA-PK catalytic subunit,DNA-PKcs)聚集到DNA末端。兩個(gè)DNA-PKcs/Ku/DNA形成DNA-PK聚合體結(jié)構(gòu),從而將斷裂的DNA末端緊緊聯(lián)系在一起,接著X射線修復(fù)交叉互補(bǔ)蛋白4(X ray cross complementing protein 4,XRCC4)和DNA連接酶IV(DNA ligase IV)復(fù)合物在XRCC4類因子(XRCC4-like factor,XLF)的幫助下介導(dǎo)DSB末端的連接,從而完成NHEJ修復(fù)過程[18]。
與NHEJ不同,HR的發(fā)生需要同源姐妹染色單體的參與,因此一般只發(fā)生在S期細(xì)胞和G2期細(xì)胞[19]。DSB的5′端的末端剪切是HR發(fā)生的關(guān)鍵一步,由MRN復(fù)合體(Mre11/Rad50/ Nbs1 complex)、CtIP(CtBP interacting protein)[20]及BLM(bloom)參與調(diào)控[21]。此種修復(fù)模式下,DSB末端首先經(jīng)過末端剪切形成突出的3′端并馬上被復(fù)制蛋白A(replication protein A,RPA)所包被,然后多種蛋白介導(dǎo)下被Rad51所替代,并發(fā)起同源染色體配對、末端侵入和鏈交換,從而完成HR[22-23]。
NHEJ是真核細(xì)胞DNA修復(fù)的最主要形式。NHEJ可以不使用同源模板把幾乎任何類型的DSB末端直接連接到一起,因此它可以發(fā)生于任一細(xì)胞周期,在G1期占優(yōu)勢[24]。BRCA1在NHEJ中的作用還具有爭議性,不同的研究表明BRCA1能促進(jìn)NHEJ、抑制NHEJ或者對NHEJ無明顯影響[25-27]。比如,在G1期BRCA1與Ku80相互作用并使其更加緊密地結(jié)合在DSB的末端,表明在G1期BRCA1可能促進(jìn)NHEJ的發(fā)生[28]。而在BRCA1缺失的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞和人體細(xì)胞HCC1937中,NHEJ修復(fù)通路缺失[26]。這些結(jié)果支持BRCA1對NHEJ的促進(jìn)作用。但也有研究結(jié)果表明NHEJ修復(fù)通路可能不需要BRCA1的參與,例如,利用脈沖場凝膠電泳檢測DSB的修復(fù)動(dòng)力學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)在BRCA1缺失的細(xì)胞系HCC1937和野生型細(xì)胞中,DSB的修復(fù)動(dòng)力學(xué)曲線無顯著差異[29]。而BRCA1與NHEJ因子53BP1的競爭性假說則暗示著BRCA1在DSB修復(fù)通路的選擇中可能更傾向于HR。在BRCA1缺失的小鼠模型中,低表達(dá)53BP1可以增加HR的比例及基因組的穩(wěn)定性[30]。在G1期,53BP1可以抑制BRCA1聚集到DSB末端,從而促進(jìn)NHEJ的發(fā)生[31]。圍繞BRCA1在NHEJ中的作用,我們也展開了相關(guān)研究。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在S期BRCA1與DNAPKcs發(fā)生相互作用,抑制了DNA-PKcs S2056的自磷酸化,從而抑制了NHEJ的發(fā)生[32-33]。以上結(jié)果提示我們BRCA1與NHEJ的關(guān)系還需要更進(jìn)一步的研究來確定。
與NHEJ不同,HR被認(rèn)為只發(fā)生在姐妹染色單體存在的S和G2期。HR始于ATM和MRN復(fù)合物決定的末端剪切而形成單鏈DNA(single strand DNA,ssDNA),ssDNA迅速被RPA包被,在多種蛋白的介導(dǎo)下被RAD51替換并發(fā)生同源染色體配對、末端侵入和鏈連接。1999年Moynahan等[34]首次發(fā)現(xiàn)BRCA1在HR中發(fā)揮作用。后續(xù)研究表明BRCA1主要通過與諸多蛋白的相互作用(圖1)而在HR中發(fā)揮作用以保持遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性[35]。
圖1 在DNA雙鏈斷裂的HR修復(fù)過程中與BRCA1發(fā)生相互作用的蛋白[35]
4.1 CtIP
CtIP與BRCA1羧基端的氨基酸殘基1 651~1 863發(fā)生相互作用,它們之間的相互作用是細(xì)胞周期依賴的,只發(fā)生在G2期。在DNA損傷發(fā)生后,ATM可以磷酸化CtIP的氨基酸殘基Ser327,磷酸化后的CtIP可以與BRCA1的BRCT結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用[36]。BRCA1和CtIP的相互作用與細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)G2/M相關(guān),它們的相互作用可以激活CHK1。此外它們之間的相互作用與S/G2檢驗(yàn)點(diǎn)也相關(guān),CtIP與BRCA1、MRN的相互作用可以增強(qiáng)MRN的酶活力,促進(jìn)末端剪切的進(jìn)行從而促進(jìn)HR的發(fā)生并抑制NHEJ[37]。最近研究表明不僅BRCA1與CtIP的相互作用能促進(jìn)HR,CtIP的二聚體對HR的發(fā)生也具有重要作用。在人類細(xì)胞中CtIP可以形成二聚體,CtIP的突變株由于不能形成二聚體嚴(yán)重影響了HR的發(fā)生[38]。
4.2 Rad51
在S期細(xì)胞中,BRCA1和Rad51可以共同位于DNA損傷位點(diǎn)并形成焦點(diǎn)。這兩個(gè)蛋白均與HR相關(guān),但是至今研究人員還不確定它們的相互作用是直接的還是間接的。Scully等[39]發(fā)現(xiàn)Rad51與BRCA1的758~1 064氨基酸殘基發(fā)生相互作用,而Garcia 等[40]發(fā)現(xiàn)Rad51與BRCA1的相互作用是通過MRN復(fù)合物發(fā)生的。在DNA損傷修復(fù)過程中,Rad51可以在DNA周圍形成絲狀的螺旋核酸蛋白,但具體的形成機(jī)制尚不明確。這些絲狀的螺旋核酸蛋白可以促進(jìn)Rad51依賴的同源識(shí)別和ATP依賴的鏈交換反應(yīng)[41]。研究表明BRCA1可以保持BACH1的酶活力以防止Rad51過早移位,從而保證HR的順利進(jìn)行[42]。
4.3 BARD1
BRCA1相關(guān)環(huán)狀蛋白(BRCA1-associated ring domain,BARD1)與BRCA1的指環(huán)結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用。當(dāng)BARD1缺失
時(shí),BRCA1不能穩(wěn)定存在而迅速降解;反之,BARD1也需要BRCA1的存在才能穩(wěn)定存在于細(xì)胞內(nèi)[43]。BRCA1和BARD1在結(jié)構(gòu)上非常相似,它們都有一個(gè)在氨基端的指環(huán)結(jié)構(gòu)域和在羧基端的串聯(lián)BRCT結(jié)構(gòu)域[44]。當(dāng)DNA損傷發(fā)生時(shí),BRCA1-BARD1復(fù)合物可以泛素化E3激酶,從而引起其他參與DNA損傷修復(fù)蛋白的泛素化,包括CtIP和H2AX[45-46]。泛素化的CtIP可以結(jié)合到染色體并調(diào)節(jié)G2/M檢驗(yàn)點(diǎn);泛素化的H2AX可以使染色體重組并啟動(dòng)DNA修復(fù)[45]。
4.4 CCDC98及RAP80
卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域蛋白98(coiled-coil domain-containing protein 98,CCDC98)(也被稱作Abraxas)與BRCA1的BRCT結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用[47]。由于CCDC98和BRCA1的結(jié)合位點(diǎn)與CtIP和BRCA1的結(jié)合位點(diǎn)相同,因此當(dāng)CCDC98和BRCA1相互作用后,BRCA1不能與CtIP結(jié)合從而抑制了DNA的末端剪切[48]。CCDC98可以招募RAP80與BRCA1形成復(fù)合體,從而影響B(tài)RCA1對DNA損傷位點(diǎn)的識(shí)別和對HR通路的調(diào)節(jié)[49]。研究者認(rèn)為BRCA1-RAP80復(fù)合體在調(diào)節(jié)DNA修復(fù)通路的選擇中發(fā)揮重要作用[50]。
4.5 PALB2
乳腺癌易感基因相關(guān)蛋白2(partner and localizerof BRCA2,PALB2)與BRCA1的BRCT結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用[51-52]。在細(xì)胞周期S期,PALB2與BRCA1和BRCA2均發(fā)生結(jié)合,被認(rèn)為是這兩個(gè)蛋白之間的橋梁[51]。研究表明PALB2與BRCA1的相互作用參與HR的調(diào)節(jié)。在細(xì)胞中表達(dá)PALB2突變體,PALB2突變體不能與BRCA1發(fā)生相互作用,導(dǎo)致細(xì)胞對絲裂霉素C的敏感性增加[52]。
4.6 BACH1
BACH1氨基端與BRCA1的羧基端(aa1529~1863)發(fā)生相互作用[45,53]。與CtIP和BRCA1的作用方式相似,BACH1與BRCA1的相互作用也是磷酸化依賴的[45]。BACH1的氨基酸殘基S990的磷酸化對其與BRCA1的結(jié)合具有調(diào)節(jié)作用[54]。在細(xì)胞周期S和G2期,BACH1可以與BRCA共同聚集到DSB位點(diǎn)形成焦點(diǎn)。當(dāng)DNA損傷發(fā)生時(shí),BRCA1與BACH1的相互作用可以促使BACH1結(jié)合到DNA,從而阻止Rad51與DNA的結(jié)合使細(xì)胞傾向于使用NHEJ修復(fù)通路[42,55]。
4.7 UHRF1
泛素樣蛋白含有脯氨酸羥化酶與環(huán)指結(jié)構(gòu)域1(ubiquitinlike,with PHD and RING finger domains 1,UHRF1)與BRCA1的BRCT結(jié)構(gòu)域在S期發(fā)生相互作用[56]。在S期,UHRF1的Ser674被BRCA1磷酸化,從而調(diào)節(jié)RIF1的泛素化,導(dǎo)致RIF1從53BP1解聚,促進(jìn)HR的進(jìn)行[56]。
BRCA1是DNA損傷修復(fù)通路中的關(guān)鍵蛋白,越來越多的研究發(fā)現(xiàn)其在調(diào)節(jié)DNA修復(fù)通路中具有重要作用,但仍有很多問題懸而未決。比如BRCA1是否參與調(diào)控NHEJ相關(guān)因子,影響它們在DSB的聚集和動(dòng)力學(xué)特征;BRCA1在DSB修復(fù)通路選擇中的作用機(jī)制;BRCA1在范可尼修復(fù)通路中的作用機(jī)制等。通過研究BRCA1的不同突變特性以及BRCA1的相互作用蛋白和相關(guān)通路,闡明其在DNA損傷修復(fù)中的作用,有利于發(fā)現(xiàn)其在乳腺癌等腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制,為腫瘤的防治提供理論基礎(chǔ)。
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R344+.1
A
1004-616X(2016)06-0494-04
1 0.3969/j.issn.1004-616x.2016.06.018
2016-06-17;
2016-10-11
國家自然科學(xué)基金(81172692,81373036,81502752);浙江省自然科學(xué)基金( LQ16H220001)
作者信息: 池林峰,E-mail:linfengchi2014@163.com。*通信作者,楊 軍, E-mail:gastate@zju.edu.cn