【原】DNA损伤反应与DNA的修复（三）

在3个DDR激酶中，DNA-PK和ATM主要被DNA的双链断裂（DSB）激活，而ATR主要被各种单链损伤激活，参与多种DNA损伤的修复，对于复制细胞的生存能力至关重要。

ATR的全称是ATM和Rad3相关激酶（ATM and Rad3 related）。Rad3是一种酵母蛋白，与ATM蛋白相似。rad3突变体对电离辐射敏感，并显示检查点缺陷。ATR是其在人体中的对应基因，1996年被克隆。

ATR通过其伴侣蛋白ATRIP被募集到覆盖有复制蛋白A（RPA）的损伤区域。RPA是真核生物的单链DNA结合蛋白，损伤处的单链DNA（ssDNA）被RPA包围后会募集ATR-ATRIP复合物。

RPA-ssDNA是许多DNA修复途径的重要结构。除了HR外，RPA-ssDNA还参与核苷酸切除修复，错配修复，碱基切除修复和复制叉重启。ATR-ATRIP识别RPA-ssDNA的能力使其在感知DNA损伤和复制压力方面非常重要。

ATR的多步骤激活。Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013

ATR的激活是一个复杂的多步骤过程，包括ATR的自磷酸化，Rad17-Rfc2-5募集到ssDNA和dsDNA之间的连接处，装载Rad9-Rad1-Hus1（9-1-1）检查点钳以及募集TopBP1等。

TopBP1（DNA topoisomerase 2 binding protein 1）具有刺激ATR激酶活性的ATR激活域，激活域的失活突变对哺乳动物细胞是致命的。另一种ATR激活蛋白ETAA1含有与TopBP1类似的ATR激活域，但它可通过直接与RPA结合而被募集，可能负责不同类型的损伤。

ATR的激活导致多种下游靶标，如CHK1、SMC-1、ATM和p21等的磷酸化。其中CHK1是最为重要的一个分子，它可以调控Cdc25A、RAD51、p53和DNA-PK等分子，调控多种细胞过程。

ATR募集与CHK1激活。Mol Cell. 2017

CHK1促进CDC25A的蛋白酶体降解，可以降低CDK（细胞周期蛋白依赖性激酶）活性，抑制细胞周期进程，为DNA修复争取时间。CHK1还通过BRCA1、BRCA2和RAD51的磷酸化促进HR（同源重组），通过DNA-PK的磷酸化促进NHEJ等。

CHK1和CHK2都可以通过p53调控细胞周期和凋亡，这是ATM和ATR途径的交叉点之一。其实二者有很多crosstalk，构成了复杂的调控网络。

DDR信号网络。Pharmacol Ther. 2014

ATM和ATR都可诱导细胞的代谢重编程。有研究表明，ATM可通过诱导限速酶6-磷酸葡萄糖磷酸脱氢酶（G6PD）来激活PPP，以提供足够的NADPH和5-磷酸核糖。ATR可促进核糖核苷酸还原酶亚基RRM2在转录和翻译后水平上的上调，从而增加脱氧核糖核苷酸的供应。

DNA损伤修复中涉及的主要代谢途径。Front Oncol. 2018

对于多数调控过程来说，为了能够及时启动与停止，磷酸化反应必须是可逆的，所以需要一系列相应的激酶和磷酸酶。DDR也是这样，激酶与磷酸酶的协同作用共同维持细胞对DNA损伤的合理应对。

参与DNA损伤反应的磷酸酶。Int J Mol Sci. 2020

NER（核苷酸切除修复）用于修复大片段的DNA损伤。BER（碱基切除修复）可修复个别碱基的损伤。这两种修复以前统称为切除修复，都是由特异的核酸内切酶识别DNA的损伤部位，在其附近将DNA单链切开，再由外切酶将损伤链切除，由聚合酶以完整链为模板进行修复合成，最后由连接酶封口。

二者的主要区别在于识别损伤的蛋白不同。BER针对DNA中因氧化，甲基化等化学修饰而损坏的单个碱基，所以第一步需要糖苷酶识别并切断损伤碱基形成的N-糖苷键，如8-氧代鸟嘌呤-DNA糖苷酶（OGG1），3-甲基腺嘌呤-DNA糖苷酶（MPG）或核酸内切酶VIII-like 1（NEIL1）等。

BER过程。Nucleic Acids Res. 2013

在NER中，DNA损伤结合蛋白2（DDB2，p48）与DDB1形成复合物，可以识别UV诱导的环丁烷嘧啶二聚体（CPD）。XPC和hRad23B形成的二聚体可识别紫外线诱导的6-4PP（另一种嘧啶二聚体）。RPA-XPA复合体识别6-4PP和顺铂损伤等。

BER的第二步是用AP（apurinic/apyrimidinic，缺嘌呤或缺嘧啶）核酸内切酶来切开已经切除了错误碱基的DNA链，然后用DNA聚合酶β填补缺口等。有时会发生链取代反应，称为long-patch BER，而前者称为short-patch BER。长补丁途径还涉及侧翼核酸内切酶（flap endonuclease 1，FEN1）和PCNA（复制体上的滑动钳）等因子。

NER过程。Nucleic Acids Res. 2013

NER的切除过程更加复杂，需要在损伤部位两侧切口，涉及转录因子TFIIH和一系列着色性干皮病（XP）蛋白。XP是一种常染色体隐性遗传病，导致皮肤干燥，有色素沉着，易患皮肤癌。

与该疾病相关的遗传缺陷至少有八种，导致不同形式的XP，即XPA（XPA基因），XPB（ERCC3基因），XPC（XPC基因），XPD（ERCC2基因），XPE（DDB2）基因），XPF（ERCC4基因），XPG（ERCC5基因）和XPV（POLH基因）。XPA-XPG参与核苷酸切除修复（NER），而XPV编码参与前导链中受损DNA复制的DNA聚合酶。

NER和BER过程中的很多蛋白可以被DDR诱导，如p53、BRCA1可以上调DDB2、XPC、PCNA、FEN1等的表达。

还有一类称为直接逆转（DR）的修复，可以逆转某些形式的碱基损伤，而无需切除碱基。例如光复活酶可被可见光（300-600 nm）激活，分解由于紫外线照射而形成的嘧啶二聚体。此酶广泛存在，但人体只存在于淋巴细胞和皮肤成纤维细胞，且是次要修复方式。

线粒体DNA的修复。Oxid Med Cell Longev. 2012

线粒体DNA也需要修复。由于线粒体DNA与线粒体内膜非常接近，所以比核DNA更容易遭受氧化损伤。现已发现在线粒体中存在BER和MMR过程。

参考文献：

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