DNA修復(fù)維系生命

楊欣

北京時(shí)間10月7日17點(diǎn)45分，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評審委員會(huì)在瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予瑞典科學(xué)家托馬斯·林達(dá)爾、美國科學(xué)家保羅·莫德里奇和土耳其科學(xué)家阿齊茲·桑卡，表彰他們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞修復(fù)自身DNA的機(jī)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(fù)機(jī)制

林達(dá)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(xué)院獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，隨后去美國普林斯頓大學(xué)和洛克菲勒大學(xué)做博士后研究。移居英國后，林達(dá)爾于1981年加入帝國癌癥研究基金會(huì)（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(xué)和文學(xué)研究院的成員，2010年，林達(dá)爾因?qū)NA修復(fù)的研究被授予英國皇家學(xué)會(huì)皇家勛章。

莫德里奇是美國人，1973年從美國斯坦福大學(xué)獲得博士學(xué)位，目前為美國杜克大學(xué)教授及美國霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所研究人員。莫德里奇因?qū)NA（基因）修復(fù)研究而聞名。

桑卡是土耳其人（擁有土耳其、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(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，并在C·斯坦·魯伯特博士指導(dǎo)下獲得博士學(xué)位。桑卡專門從事DNA修復(fù)、細(xì)胞周期、生物時(shí)鐘方面的研究，于2005年當(dāng)選為美國科學(xué)院院士，目前是美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校生物化學(xué)教授。

DNA是細(xì)胞中的核心部分，蘊(yùn)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(gè)細(xì)胞中的DNA鏈抽取出來并拉直，其長度可超過2米。人體內(nèi)的細(xì)胞高達(dá)數(shù)十億個(gè)，所有細(xì)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(xì)胞的DNA每天都受到來自外界的猛烈攻擊，如化學(xué)反應(yīng)、宇宙射線和溫度變化等，這些因素都會(huì)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(shí)候，它們一直循規(guī)守紀(jì)地在人體內(nèi)保持完整狀態(tài)。原因在于，人和生物體都有一系列DNA修復(fù)系統(tǒng)和機(jī)制。

三位科學(xué)家因?yàn)楦髯躁U明了與人類相關(guān)的若干DNA修復(fù)過程和機(jī)制而獲得今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們的研究成果涉及三種不同的DNA修復(fù)機(jī)制。

林達(dá)爾的發(fā)現(xiàn)稱為堿基切除修復(fù)，即細(xì)胞里有一種蛋白質(zhì)（糖苷水解酶），專門尋找和識別一種特定的DNA堿基錯(cuò)誤，然后把它從DNA鏈上切掉，從而修復(fù)DNA。

莫德里奇的發(fā)現(xiàn)稱為DNA錯(cuò)配修復(fù)，指的是，細(xì)胞會(huì)對DNA鏈進(jìn)行標(biāo)記，一些特定的蛋白質(zhì)（酶）可以憑借這種標(biāo)記來判斷哪條是舊有的、哪條是新加的（錯(cuò)誤的）DNA鏈，從而知道該去修復(fù)誰。

桑卡的發(fā)現(xiàn)稱為核苷酸切除修復(fù)，指的是細(xì)菌的DNA在致命的紫外線照射之后，如果再用可見藍(lán)光照射，能死里逃生，復(fù)蘇過來。把細(xì)菌DNA從紫外線的損傷中解救出來的功臣是光解酶，這個(gè)過程被稱為核苷酸切除修復(fù)。

這三種發(fā)現(xiàn)都闡明了DNA修復(fù)的某種機(jī)理，其中，任何一種DNA修復(fù)出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致疾病，如患癌。堿基切除修復(fù)如果有缺陷，會(huì)增加患肺癌的風(fēng)險(xiǎn);DNA錯(cuò)配修復(fù)如果出現(xiàn)問題，會(huì)增加患遺傳性結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn);核苷酸切除修復(fù)如果遭受先天性損傷，會(huì)讓人對紫外線極為敏感，并且在陽光下暴露后會(huì)發(fā)展為皮膚癌。

此外，DNA修復(fù)系統(tǒng)缺失還會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，如老年性癡呆，以及衰老等。

林達(dá)爾的貢獻(xiàn)

20世紀(jì)60年代的科學(xué)界認(rèn)為，保持穩(wěn)定是蘊(yùn)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(huì)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(dāng)時(shí)正在美國普林斯頓大學(xué)進(jìn)行博士后研究的林達(dá)爾對DNA的穩(wěn)定性提出質(zhì)疑，這是他從自己研究的主要對象RNA進(jìn)行試驗(yàn)后產(chǎn)生的疑問，因?yàn)樵谠囼?yàn)中會(huì)對RNA加熱，結(jié)果導(dǎo)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(huì)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(xué)院，開始尋找這一問題的答案。一些直接試驗(yàn)結(jié)果證明他的懷疑是正確的，DNA雖然有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，但仍然會(huì)發(fā)生降解和損害。林達(dá)爾估計(jì)，每天基因組都會(huì)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(fù)DNA（基因）缺陷的系統(tǒng)。

為解開這個(gè)謎團(tuán)，林達(dá)爾采用細(xì)菌為研究對象，尋找能修復(fù)損傷DNA的物質(zhì)。細(xì)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(dǎo)致遺傳信息發(fā)生改變。

在正常的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，胞嘧啶C和鳥嘌呤G配對，但是，失去氨基的胞嘧啶C會(huì)變成另一種堿基尿嘧啶（U），后者會(huì)與腺嘌呤A配對，這是一種堿基錯(cuò)配。如果這種錯(cuò)配持續(xù)存在，就會(huì)在DNA復(fù)制后發(fā)生基因突變。由此，林達(dá)爾認(rèn)為，細(xì)胞必須有修復(fù)這種變化的方法，例如，有某種修復(fù)堿基錯(cuò)配的酶。

經(jīng)過多年的潛心研究，林達(dá)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(fù)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(jù)模板鳥嘌呤G的信息重新修復(fù)為胞嘧啶C。

從1980年到1996年，林達(dá)爾在體外試驗(yàn)中確定了人體內(nèi)DNA堿基切除修復(fù)機(jī)制。

這項(xiàng)研究開啟了DNA修復(fù)機(jī)制研究的大門，并讓人們明白，DNA會(huì)以一定的速率發(fā)生衰變，但是堿基切除修復(fù)機(jī)制會(huì)不斷抵消DNA的受損。

莫德里奇的貢獻(xiàn)

莫德里奇在美國新墨西哥州一個(gè)小城長大。1963年，莫德里奇17歲時(shí)，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(jié)構(gòu)獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的第二年。父親對他說：“你應(yīng)該去學(xué)一點(diǎn)DNA的知識。”

此后，莫德里奇不僅學(xué)了生物，而且一直以DNA為研究對象。在斯坦福大學(xué)讀博士和做博士后研究，以及在杜克大學(xué)擔(dān)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(nèi)切酶開展研究。20世紀(jì)70年代末，莫德里奇的研究興趣轉(zhuǎn)向Dam甲基化酶，獲得了重大發(fā)現(xiàn)。

Dam甲基化酶負(fù)責(zé)DNA與甲基成分結(jié)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(chǎn)物，可將GATC序列中的腺嘌呤轉(zhuǎn)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(dāng)標(biāo)簽，幫助特定限制性內(nèi)切酶在DNA分子鏈正確位置上切割。在此之前，美國哈佛大學(xué)分子生物學(xué)家梅塞爾森發(fā)現(xiàn)一種帶數(shù)個(gè)DNA堿基錯(cuò)誤配對的細(xì)菌病毒在其堿基配對中，原本應(yīng)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(xì)菌時(shí)，這些被感染的細(xì)菌竟然修復(fù)了這些配對錯(cuò)誤。

因此，梅塞爾森在1976年提出一種猜想，細(xì)菌存在某種修復(fù)機(jī)制，能在DNA復(fù)制時(shí)改正錯(cuò)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(gè)DNA配對錯(cuò)誤的病毒。莫德里奇的Dam甲基化酶用來為DNA鏈添加

甲基。當(dāng)用這些病毒感染細(xì)菌之后，受感染的細(xì)菌改正了那些缺乏甲基的DNA分子鏈。這表明，DNA配對錯(cuò)誤的修復(fù)是一種自然過程，能夠在DNA進(jìn)行復(fù)制時(shí)修正其中的錯(cuò)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(cuò)誤的DNA鏈。

DNA錯(cuò)配修復(fù)需要區(qū)分母鏈和子鏈，做到只切除子鏈上錯(cuò)誤的核苷酸，而不會(huì)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(cuò)配修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)在起作用。這個(gè)系統(tǒng)主要包括錯(cuò)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(fù)。

莫德里奇在1989年發(fā)表了相關(guān)工作的結(jié)果，這些結(jié)果只是對細(xì)菌研究獲得。莫德里奇也對人體內(nèi)的這一修復(fù)機(jī)制進(jìn)行了研究。人體細(xì)胞的DNA進(jìn)行復(fù)制時(shí)，這種配對錯(cuò)誤修正機(jī)制也起到了關(guān)鍵性的作用，但目前仍然不清楚機(jī)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(cuò)配單鏈的機(jī)制尚未明確。

桑卡的貢獻(xiàn)

桑卡的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了核苷酸切除修復(fù)機(jī)制。桑卡在伊斯坦布爾大學(xué)學(xué)醫(yī)學(xué)時(shí)就對生命分子非常癡迷。畢業(yè)后，桑卡在土耳其做了幾年醫(yī)生，1973年桑卡發(fā)現(xiàn)，致命劑量紫外線照射細(xì)菌使其死亡后，藍(lán)色光可讓這些細(xì)菌復(fù)活。這引起了他的極大興趣，并決定解開這個(gè)謎，由此他選擇了學(xué)生物化學(xué)。

由于美國科學(xué)家魯伯特曾研究過這一現(xiàn)象，桑卡決定到達(dá)拉斯的魯伯特實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)。1976年，桑卡完成了他的博士論文，該論文解開了細(xì)菌復(fù)活的一些奧秘。桑卡克隆了紫外線DNA損傷的修復(fù)酶基因：光修復(fù)酶，并成功地用細(xì)菌進(jìn)行了表達(dá)。但是，這一研究并沒有引起人們太多關(guān)注。

博士畢業(yè)后，桑卡先后三次申請博士后研究職位都未成功。后來，桑卡在美國耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院找到一份實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員的工作，得以繼續(xù)開展對DNA修復(fù)機(jī)制的研究，正是在這里桑卡完成了其獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的工作。

美國耶魯大學(xué)的研究人員早在20世紀(jì)60年代中期就開始對細(xì)菌在黑暗中具有某種修復(fù)DNA的機(jī)制進(jìn)行了研究。他們借助三種對紫外線敏感度不同的細(xì)菌，確定了uvrA、uvrB和uvrC三種蛋白不同的基因變異。加上桑卡的研究，人們知道細(xì)菌擁有兩種紫外線損傷DNA的修復(fù)機(jī)制，一種是光修復(fù)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(fù)機(jī)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(guān)的修復(fù)酶，即鑒定出了黑暗修復(fù)系統(tǒng)的三種蛋白（uvrA、uvrB和uvrC），并闡明了DNA損傷修復(fù)機(jī)制。

原來紫外線照射可使相鄰兩個(gè)胸腺嘧啶堿基TT自身以共價(jià)相連形成二聚體，黑暗修復(fù)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(jìn)行兩次切割，切除整個(gè)受破壞的12～13個(gè)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(fù)。這就是核苷酸切除修復(fù)。

DNA修復(fù)的應(yīng)用

除了堿基切除修復(fù)機(jī)制、配對錯(cuò)誤修復(fù)機(jī)制和核苷酸切除修復(fù)機(jī)制外，細(xì)胞還存在著其他一些DNA修復(fù)機(jī)制，用以維護(hù)DNA序列的穩(wěn)定，并維護(hù)生命。這些修復(fù)系統(tǒng)隨時(shí)修正數(shù)以千計(jì)因太陽照射、吸煙或其他有害物質(zhì)攝入導(dǎo)致的DNA損壞，對抗每次細(xì)胞分裂時(shí)出現(xiàn)的DNA自發(fā)性突變傾向，在復(fù)制階段，需要修正數(shù)以千計(jì)的錯(cuò)誤配對。一旦離開這些修復(fù)機(jī)制，人的基因組將會(huì)崩潰。只要有錯(cuò)誤發(fā)生，遺傳信息就可能發(fā)生變化，患癌的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)明顯上升。

人之所以患各種癌癥一定與這些DNA修復(fù)機(jī)制被關(guān)閉或失效有關(guān)。一旦這些DNA修復(fù)機(jī)制失去作用，癌細(xì)胞DNA就會(huì)變得不穩(wěn)定，這也是為何癌細(xì)胞時(shí)常會(huì)發(fā)生變異并變得對化療耐受的原因。同時(shí)，癌細(xì)胞甚至比健康細(xì)胞有更強(qiáng)大的修復(fù)能力。一旦離開了修復(fù)機(jī)制，癌細(xì)胞的DNA會(huì)遭受嚴(yán)重破壞，細(xì)胞也會(huì)死亡。

現(xiàn)在研究人員正在嘗試?yán)眠@一點(diǎn)開發(fā)抗御癌癥的藥物。促進(jìn)癌細(xì)胞已受損的修復(fù)機(jī)制加速崩潰或抑制癌細(xì)胞的修復(fù)機(jī)制，就能減緩甚至阻止癌細(xì)胞生長。

根據(jù)DNA修復(fù)機(jī)理研發(fā)的藥物最為著名的是聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（PARP）抑制劑，這既是當(dāng)今癌癥治療的一個(gè)新靶點(diǎn)，也是利用DNA修復(fù)原理形成的一種新化療方法（化學(xué)藥物）。由于PARP參與DNA修復(fù)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控，因此不僅在調(diào)節(jié)細(xì)胞存活和凋亡過程中具有關(guān)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(zhuǎn)錄因子。PARP在堿基切除修復(fù)的DNA單鏈缺口（SSBs）修復(fù)中具有關(guān)鍵作用，因此，抑制其活性能夠增強(qiáng)放療和DNA損傷類化療藥物的效果。

大量試驗(yàn)表明PARP抑制劑既可作為放化療增敏劑使用，也可單獨(dú)使用，可選擇性殺傷DNA修復(fù)缺陷的腫瘤細(xì)胞，如BRCA1和BRCA2缺陷的乳腺癌細(xì)胞。PARP抑制劑通過抑制癌細(xì)胞DNA損傷修復(fù)、促進(jìn)癌細(xì)胞發(fā)生凋亡，從而增強(qiáng)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(jīng)缺失，再通過PARP抑制劑抑制癌細(xì)胞DNA的修復(fù)，則可以加速癌細(xì)胞死亡。另外，PARP抑制劑不僅對BRCA1或BRCA2突變產(chǎn)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(xì)胞的作用。

在DNA修復(fù)機(jī)理的啟示下，如今已有10多種PARP抑制劑在臨床使用或進(jìn)行臨床試驗(yàn)。未來，這方面的新藥還會(huì)層出不窮地產(chǎn)生。當(dāng)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(jì)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(jì)70年代到20世紀(jì)末，許多至今暢銷的藥物，如抗癌的化療藥物都是在這一時(shí)期發(fā)明的。第三次藥物革命產(chǎn)生的DNA藥物則已跨入精準(zhǔn)醫(yī)療的門檻。

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