百科：DNA修復維系生命

北京時(shí)間10月7日17點(diǎn)45分，諾貝爾化學(xué)獎評審委員會(huì )在瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2015年諾貝爾化學(xué)獎授予瑞典科學(xué)家托馬斯·林達爾、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學(xué)院獲得醫學(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，林達爾于1981年加入帝國癌癥研究基金會(huì )（現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，林達爾因對RNA修復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-休斯醫學(xué)研究所研究人員。莫德里奇因對DNA（基因）修復研究而聞名。
　　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·魯伯特博士指導下獲得博士學(xué)位。桑卡專(zhuān)門(mén)從事DNA修復、細胞周期、生物時(shí)鐘方面的研究，于2005年當選為美國科學(xué)院院士，目前是美國北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校生物化學(xué)教授。
　　DNA是細胞中的核心部分，蘊藏著(zhù)生物體的所有遺傳密碼，所有的遺傳密碼也稱(chēng)基因組。一個(gè)細胞中的DNA鏈抽取出來(lái)并拉直，其長(cháng)度可超過(guò)2米。人體內的細胞高達數十億個(gè)，所有細胞的DNA加起來(lái)的長(cháng)度，可以往返地球和太陽(yáng)之間250次。
　　人體細胞的DNA每天都受到來(lái)自外界的猛烈攻擊，如化學(xué)反應、宇宙射線(xiàn)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(méi)有因此變成一堆亂碼和降解。相反，大多數時(shí)候，它們一直循規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修復系統和機制。
　　三位科學(xué)家因為各自闡明了與人類(lèi)相關(guān)的若干DNA修復過(guò)程和機制而獲得今年的諾貝爾化學(xué)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)現稱(chēng)為堿基切除修復，即細胞里有一種蛋白質(zhì)（糖苷水解酶），專(zhuān)門(mén)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)現稱(chēng)為DNA錯配修復，指的是，細胞會(huì )對DNA鏈進(jìn)行標記，一些特定的蛋白質(zhì)（酶）可以憑借這種標記來(lái)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(shuí)。
　　桑卡的發(fā)現稱(chēng)為核苷酸切除修復，指的是細菌的DNA在致命的紫外線(xiàn)照射之后，如果再用可見(jiàn)藍光照射，能死里逃生，復蘇過(guò)來(lái)。把細菌DNA從紫外線(xiàn)的損傷中解救出來(lái)的功臣是光解酶，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為核苷酸切除修復。
　　這三種發(fā)現都闡明了DNA修復的某種機理，其中，任何一種DNA修復出現問(wèn)題，都會(huì )導致疾病，如患癌。堿基切除修復如果有缺陷，會(huì )增加患肺癌的風(fēng)險;DNA錯配修復如果出現問(wèn)題，會(huì )增加患遺傳性結腸癌的風(fēng)險;核苷酸切除修復如果遭受先天性損傷，會(huì )讓人對紫外線(xiàn)極為敏感，并且在陽(yáng)光下暴露后會(huì )發(fā)展為皮膚癌。
　　此外，DNA修復系統缺失還會(huì )導致神經(jīng)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(xué)界認為，保持穩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(huì )有“龍生龍鳳生鳳”的繁衍，而且體現為后代與親代幾乎一模一樣的相貌和性格特征。
　　但是，當時(shí)正在美國普林斯頓大學(xué)進(jìn)行博士后研究的林達爾對DNA的穩定性提出質(zhì)疑，這是他從自己研究的主要對象RNA進(jìn)行試驗后產(chǎn)生的疑問(wèn)，因為在試驗中會(huì )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(huì )造成DNA的不穩定呢？
　　幾年后他返回瑞典卡羅林斯卡醫學(xué)院，開(kāi)始尋找這一問(wèn)題的答案。一些直接試驗結果證明他的懷疑是正確的，DNA雖然有較強的穩定性，但仍然會(huì )發(fā)生降解和損害。林達爾估計，每天基因組都會(huì )發(fā)生數千次的損傷，這與生命能持續存在并完好無(wú)缺的現象直接相悖。這也意味著(zhù)，DNA可能存在著(zhù)一套修復DNA（基因）缺陷的系統。
　　
　　為解開(kāi)這個(gè)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(zhì)。細菌的DNA與人類(lèi)一樣，也是由腺嘌呤脫氧核苷酸（A）、鳥(niǎo)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(niǎo)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，這是一種堿基錯配。如果這種錯配持續存在，就會(huì )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(jīng)過(guò)多年的潛心研究，林達爾于1974年發(fā)現了尿嘧啶糖苷水解酶，這是第一種DNA損傷修復系統，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(niǎo)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(kāi)啟了DNA修復機制研究的大門(mén)，并讓人們明白，DNA會(huì )以一定的速率發(fā)生衰變，但是堿基切除修復機制會(huì )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(gè)小城長(cháng)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DNA雙螺旋結構獲諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎的第二年。父親對他說(shuō)：“你應該去學(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?xún)惹忻搁_(kāi)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。
　　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(chǎn)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?xún)惹忻冈贒NA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)現一種帶數個(gè)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(shí)，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(shí)改正錯誤。莫德里奇與梅塞爾森合作，共同創(chuàng )造了一種帶有數個(gè)DNA配對錯誤的病毒。莫德里奇的Dam甲基化酶用來(lái)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(guò)程，能夠在DNA進(jìn)行復制時(shí)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錯配修復需要區分母鏈和子鏈，做到只切除子鏈上錯誤的核苷酸，而不會(huì )切除母鏈上本來(lái)就正常的核苷酸，然后通過(guò)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(gè)系統在起作用。這個(gè)系統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(guān)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(jìn)行了研究。人體細胞的DNA進(jìn)行復制時(shí)，這種配對錯誤修正機制也起到了關(guān)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(lái)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
　　桑卡的貢獻是發(fā)現了核苷酸切除修復機制。桑卡在伊斯坦布爾大學(xué)學(xué)醫學(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生，1973年桑卡發(fā)現，致命劑量紫外線(xiàn)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(kāi)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(guò)這一現象，桑卡決定到達拉斯的魯伯特實(shí)驗室學(xué)習。1976年，桑卡完成了他的博士論文，該論文解開(kāi)了細菌復活的一些奧秘。桑卡克隆了紫外線(xiàn)DNA損傷的修復酶基因：光修復酶，并成功地用細菌進(jìn)行了表達。但是，這一研究并沒(méi)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(lái)，桑卡在美國耶魯大學(xué)醫學(xué)院找到一份實(shí)驗室技術(shù)員的工作，得以繼續開(kāi)展對DNA修復機制的研究，正是在這里桑卡完成了其獲得諾貝爾化學(xué)獎的工作。
　　美國耶魯大學(xué)的研究人員早在20世紀60年代中期就開(kāi)始對細菌在黑暗中具有某種修復DNA的機制進(jìn)行了研究。他們借助三種對紫外線(xiàn)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。加上桑卡的研究，人們知道細菌擁有兩種紫外線(xiàn)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(mǎn)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)的修復酶，即鑒定出了黑暗修復系統的三種蛋白（uvrA、uvrB和uvrC），并闡明了DNA損傷修復機制。
　　原來(lái)紫外線(xiàn)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，黑暗修復系統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。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(zhù)其他一些DNA修復機制，用以維護DNA序列的穩定，并維護生命。這些修復系統隨時(shí)修正數以千計因太陽(yáng)照射、吸煙或其他有害物質(zhì)攝入導致的DNA損壞，對抗每次細胞分裂時(shí)出現的DNA自發(fā)性突變傾向，在復制階段，需要修正數以千計的錯誤配對。一旦離開(kāi)這些修復機制，人的基因組將會(huì )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(fēng)險也會(huì )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(guān)閉或失效有關(guān)。一旦這些DNA修復機制失去作用，癌細胞DNA就會(huì )變得不穩定，這也是為何癌細胞時(shí)常會(huì )發(fā)生變異并變得對化療耐受的原因。同時(shí)，癌細胞甚至比健康細胞有更強大的修復能力。一旦離開(kāi)了修復機制，癌細胞的DNA會(huì )遭受?chē)乐仄茐模毎矔?huì )死亡。
　　現在研究人員正在嘗試利用這一點(diǎn)開(kāi)發(fā)抗御癌癥的藥物。促進(jìn)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(cháng)。
　　根據DNA修復機理研發(fā)的藥物最為著(zhù)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(gè)新靶點(diǎn)，也是利用DNA修復原理形成的一種新化療方法（化學(xué)藥物）。由于PARP參與DNA修復和轉錄調控，因此不僅在調節細胞存活和凋亡過(guò)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(guò)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(guān)鍵作用，因此，抑制其活性能夠增強放療和DNA損傷類(lèi)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(guò)抑制癌細胞DNA損傷修復、促進(jìn)癌細胞發(fā)生凋亡，從而增強放療以及烷化劑和鉑類(lèi)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(guò)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(chǎn)生作用，也可能與許多還未發(fā)現的基因突變存在協(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(jìn)行臨床試驗。未來(lái)，這方面的新藥還會(huì )層出不窮地產(chǎn)生。當然，從醫藥史的角度看，PARP抑制劑一類(lèi)新藥可以稱(chēng)為新型DNA藥物，是人類(lèi)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(xiāo)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藥物則已跨入精準醫療的門(mén)檻。
　　【責任編輯】張田勘