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DNA损伤反应与DNA的修复(二)

 lcy1971 2020-02-28

作为DDR(DNA损伤反应)的3个PIKK之一,DNA-PK在DDR中主要参与NHEJ过程。而另外两个PIKK,ATM和ATR具有更多功能。

ATM和ATR是DDR途径的主要换能器。Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013

ATM是毛细血管扩张性共济失调症(AT)的突变蛋白,1995年被鉴定出来,并发现其C末端含有PI3K样激酶结构域。AT是一种常染色体隐性遗传病,患者同时还有免疫缺陷,易患恶性肿瘤。后来发现AT患者的细胞对放射线敏感,表明其突变基因与DNA修复相关。

在DDR中,ATM负责协调细胞对DSB(双链断裂)的应答,包括DNA修复、检查点激活、凋亡、衰老以及染色质结构改变、转录和mRNA剪接等。它是一种顶端激酶,可以响应DNA损伤而使数百种底物磷酸化。MRN复合体、Tip 60、ATR、PP2A和Wip1都可以调节ATM的激活。激活的ATM可以催化CHK2,SMC-1,FANCD2,BRCA1以及H2AX的激活。

DNA受损后,乙酰基转移酶TIP60 / KAT5可以识别带有H3K9me3组蛋白标记的裸露核小体,从而被募集到受损的染色质,并被屏蔽去磷酸化而维持激活状态。激活的TIP60可以通过乙酰化(FATC基序中的K3016)来激活ATM。

ATM对DSBR的调控。Mol Cell. 2017

MRE11-RAD50-NBS1(MRN)复合物可以识别并结合DSB,然后募集并激活ATM。激活的ATM可以磷酸化CtIP(C-terminal-binding protein interacting protein),再与BRCA1(乳腺癌相关蛋白1)相互作用,形成BRCA1 / MRN / CtIP复合体,促进DNA末端切除,以形成单链DNA,从而促进HR(同源重组)修复。

另一方面,ATM也可以促进NHEJ(非同源末端连接)。ATM激活后可以将MDC1(mediator of DNA damage checkpoint protein 1)磷酸化,再募集E3泛素连接酶RNF168,后者将组蛋白H2A泛素化,从而与53BP1(p53结合蛋白1)结合。53BP1可以促进NHEJ并抑制HR。

DNA双链断裂是一种严重损伤,可引起缺失或染色体易位等突变。NHEJ和HR是DSB修复的两种主要方式,细胞需要选择针对特定情况的最佳修复途径。NHEJ在G1/S/G2期都可以起作用,而HR仅在DNA复制后的S期和G2期才有活性。

在S和G2期的DSB修复中,NHEJ约占70%,HR约占30%。细胞对二者的选择机制还有很多争议。现在一般认为53BP1和BRCA1是关键分子,在选择中起着拮抗作用。

用于选择DSB修复途径的53BP1-BRCA1网络。J Biol Chem. 2018 Jul 6;293(27):10502-10511.

HR需要对DSB进行末端切除,以产生3'端ssDNA,然后才能募集重组酶RAD51,以姐妹染色单体作为模板进行修复。所以DNA的末端切除是选择哪条途径的关键。Ku和53BP1对末端具有保护作用,所以会促进NHEJ;而BRCA1可以促进53BP1去磷酸化来减轻53BP1的切除障碍,并重新定位53BP1,从而促进HR。

5'-末端切除可以暴露出一些同源序列,使3'-单链DNA稳定退火,从而促进某些不同的修复方式。替代的末端连接(a-EJ)途径利用ADP-核糖聚合酶和DNA Polθ等因子,需要2至20 bp的微观同源性。单链退火(SSA)修复途径需要 25 bp以上的同源性。

NHEJ与其它双链断裂修复。J Biol Chem. 2018 Jul 6; 293(27): 10512–10523.

ATM的另一个关键底物是CHK2(检查点激酶2),激活其可以通过多种蛋白质,包括p53和CDC25A的磷酸化,促进细胞周期停滞和细胞凋亡。CHK2的T68磷酸化经常被当作ATM激活的指标,虽然ATM并非其唯一激活途径。

ATM通过CHK2调节细胞状态。Eur J Pharmacol. 2009

有研究表明,除DSB外,氧化应激也可以激活ATM。此时ATM在Ser-1981磷酸化,从而导致p53和AMP活化的蛋白激酶-α(AMPKα)的磷酸化,调节细胞基因表达和能量代谢。

参考文献:

  1. Alexandre Maréchal, et al. DNA damage sensing by the ATM and ATR kinases. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013 Sep 1;5(9):a012716.

  2. Andrew N Blackford, et al. ATM, ATR, and DNA-PK: The Trinity at the Heart of the DNA Damage Response. Mol Cell. 2017 Jun 15;66(6):801-817.

  3. Joonyoung Her, et al. How cells ensure correct repair of DNA double-strand breaks. J Biol Chem. 2018 Jul 6;293(27):10502-10511.

  4. Nicholas R Pannunzio, et al. Nonhomologous DNA end-joining for repair of DNA double-strand breaks. J Biol Chem. 2018 Jul 6;293(27):10512-10523.

  5. Zbigniew Darzynkiewicz, et al. Impaired DNA damage response--an Achilles' heel sensitizing cancer to chemotherapy and radiotherapy. Eur J Pharmacol. 2009 Dec 25;625(1-3):143-50.

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