2015年诺贝尔化学奖钟情于基因组DNA“修理工”

王 静，彭 斌，许兴智

首都师范大学生命科学学院DNA损伤应答北京市重点实验室，北京 100048

2015年诺贝尔化学奖钟情于基因组DNA“修理工”

王 静，彭 斌，许兴智†

首都师范大学生命科学学院DNA损伤应答北京市重点实验室，北京 100048

2015年诺贝尔化学奖授予了Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar三位科学家，以表彰他们在“绘制细胞修复损伤DNA和捍卫遗传信息（完整性）的机制研究”方面所做出的杰出贡献。简要介绍了三位获奖者的研究工作和成就，以及DNA损伤修复与人类疾病（尤其是癌症）的发生、发展、诊断、治疗及预防的相关性。

2015年诺贝尔化学奖；碱基切除修复；错配修复；核苷酸切除修复

从低等生物到高等动物乃至人类，其基因组DNA无一例外地存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此，维持基因组的稳定性是生命延续的根本保障。不幸的是，基因组DNA时时刻刻受到各种内外因子的攻击而造成多种损伤。外在因子包括太阳光中的紫外线和空气中的天然放射性气体氡；内在因子有相当大的部分来自细胞内代谢过程中产生的自由基。这些DNA损伤事件可以达到每天每个细胞6万多次。以我们人体为例，平均每个人的细胞数为1013～1014个，我们机体每天经受着天文数字般(达到每天6×(1019～1020)个)的DNA损伤事件!还有，细胞分裂过程中基因组DNA的复制并不是无误的，由此也会引入DNA损伤。幸运的是，我们生物体进化出应对各种DNA损伤形式的“专业修理工程队”：以未被损伤的同源DNA为模板，精确完成修复；或者不计后果地快速完成修复，从而在基因组DNA引入改变。这些改变的积累最终破坏了基因组的稳定性，导致各种各样的疾病，包括癌症、退行性神经病变和早衰等。另一方面，癌症治疗中的许多化疗药物和放射治疗都是通过对细胞基因组DNA造成不可修复的损伤，从而诱导细胞凋亡。由此看来，对DNA损伤的各种“专业修理工程队”的组成和工作机制的认知，不仅仅有助于阐明疾病发生和发展的分子机制，也为疾病(尤其是癌症)的治疗提供生物学基础。因此，在过去的几十年，DNA修复研究一直是生命医学领域的核心热点。

2015年10月7日，瑞典皇家科学院宣布将2015年诺贝尔化学奖授予瑞典的Tomas Lindahl、美国的Paul Modrich和土耳其的Aziz Sancar三位先驱科学家(图1)，以表彰他们在“绘制细胞修复损伤DNA和捍卫遗传信息(完整性)的机制研究”方面所做出的杰出贡献。三位科学家分别是碱基切除修复、碱基错配修复和核苷酸切除修复“工程队”的“伯乐”。无独有偶，2015年9月具有“诺贝尔奖风向标”称号的拉斯克基础医学研究奖授予美国新泽西州罗格斯大学Evelyn M. Witkin和哈佛大学医学院布莱根妇女医院Stephen J. Elledge，以奖励他们在“DNA 损伤应答保护所有生物基因组稳定性”的开创性研究。DNA“修理工”相关研究在同一年度同时被诺贝尔奖和拉斯克奖所青睐是前所未有的，在可见的未来也很可能不会再有，因此，将2015年称作“DNA修复之年”是再恰当不过的!

图1 从左至右依次为Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar(图片来源：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/ laureates/2015/)

1 碱基切除修复

Tomas Lindahl于1938年出生在瑞典斯德哥尔摩，1967年在瑞典卡罗琳斯卡医学院取得医学博士学位，随后在美国普林斯顿大学及洛克菲勒大学进行博士后研究。1978—1982年，他任职于哥德堡大学(医学与生理化学教授)，并于1981年加入英国帝国癌症研究基金会。1986年至今，Lindahl任剑桥大学克莱尔实验室主任、弗朗西斯克里克研究所名誉负责人。

Lindahl的主要贡献是揭示DNA分子的不稳定性和碱基切除修复的分子机理。自1953年科学家发现DNA双螺旋结构以来，科学界普遍相信作为生命基础的DNA分子是非常稳定的。但是，在20世纪70年代早期，Lindahl通过实验证明：即便没有外界物理因素的攻击，DNA的化学稳定性也是有限的[1-2]。20世纪70年代到80年代间，Lindahl描述和量化了自发的内源性DNA损伤，包括脱嘌呤水解、胞嘧啶残基脱氨基、鸟嘌呤和嘧啶残基的氧化以及腺嘌呤残基甲基化生成3-甲基腺嘌呤等。人的基因组每天所遭受的潜在损伤和细胞毒性损伤的数量达10 000次。这些结果说明生物体内必然存在DNA修复酶和修复机制来抵消内源性DNA损伤[3]。DNA由脱氧核苷酸的四种碱基腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)组成，碱基互补配对原则(A=T，C≡G)可以确保遗传信息的传递和复制。DNA的胞嘧啶残基很容易丢失一个氨基变成脲嘧啶(U)，这样受损的胞嘧啶残基往往与腺嘌呤配对，而不是正确地与鸟嘌呤配对。如果允许这样的缺陷继续存在，下一次DNA复制时就会发生永久性的突变。Lindahl意识到细胞内必然存在某种防护机制，于是开始利用细菌DNA来寻找修复酶，终于在1974从大肠杆菌中分离了第一个能够识别受损碱基的DNA N-糖苷酶(DNA N-glycosidase)[4]。该酶作用于糖苷键并将脲嘧啶切除，产生含有脱嘧啶位点的DNA链，然后其他几个酶将DNA链中这个核苷酸剩余的部分移除，在DNA聚合酶作用下根据模板鸟嘌呤的信息重新修复为胞嘧啶，最后通过DNA连接酶将切口封闭(图2)。这一多种酶参与的DNA修复过程后来被称为碱基切除修复。

在1994和1996年Lindahl分别从大肠杆菌和人类细胞中纯化出修复蛋白，体外重建碱基切除修复通路，证明了人细胞也存在碱基切除修复机制[5-6]。至今他已经发现超过100种不同的DNA氧化损伤，这些损伤大部分是由碱基切除修复来完成的。随后，Lindahl在哺乳动物细胞中发现多种不同类型的DNA连接酶，并对DNA连接酶I、III和IV的遗传和生化特性开展了一系列开创性的研究工作。他还发现了哺乳动物细胞中DNA特异的核酸外切酶DNase III (TREX1) 和 IV (FEN1)[3]。值得一提的是，TREX1基因的缺失是系统性红斑狼疮及其相关自身免疫性疾病的一种病因。

Lindahl的研究工作首次阐明了一条需要多个酶参与的DNA 修复通路。由于碱基损伤事件在生物机体内频繁发生，其诠释的生理和病理机理具有里程碑意义，为DNA修复机制的研究开启了大门。

图2 碱基切除修复(图片摘自http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/)

2 碱基错配修复

Paul Modrich于1946年出生在美国，1973年在美国斯坦福大学取得医学博士学位，之后担任美国杜克大学医学中心生物化学冠名教授。1994年至今Modrich任霍华德•休斯医学研究所的研究员。

Modrich的主要贡献是揭示DNA碱基错配修复的分子机理。正如前面所提到的，基因组DNA在复制过程中也会出现错配，从而导致DNA双螺旋结构的扭曲。据估计，在体外实验中这种错配的几率大约是5×10-5，而人的生殖细胞的错配率是1×10-8，这应该归功于机体的DNA错配修复机制[7]。1983年，Modrich和Meselson发现细菌中Dam甲基化酶给DNA加上甲基基团，有利于某个特定的限制性内切酶在正确的位置切断DNA链，以降低错配几率[8]。后来，Modrich建立了基于无细胞的大肠杆菌抽提物的错配修复系统[9]，并利用该系统鉴定了一个又一个参与错配修复的基因及其编码的蛋白。

1989年，Modrich终于在体外重建了大肠杆菌的DNA错配修复过程[10]。这项工作阐述了DNA聚合酶III、核酸外切酶I和DNA连接酶对于错配修复的必要性，而进一步的研究说明了这些酶和MutH、MutL、MutS、UvrD及单链结合蛋白在体内进行碱基错配修复的分子机理(图3)。直到2004年，Modrich在体外重建了人的错配修复体系[11]，从而为进一步揭示哺乳动物细胞错配修复机制奠定了基础。

3 核苷酸切除修复

Aziz Sancar于1946年出生于土耳其的萨乌尔，但是他绝大部分的学术生涯是在美国度过的。1977年Sancar于美国德州大学达拉斯分校取得博士学位，目前为美国北卡罗来纳大学教堂山分校生物化学与生物物理教授。

Sancar的主要贡献在于揭示了核苷酸切除修复的分子机制。以下的现象激发了他的研究兴趣：细菌在致命的紫外线(UV)照射之后，如果再用可见蓝光照射，它们突然就能死里逃生。这首次表明了DNA修复酶的存在，该酶(光修复酶)能修复紫外辐射诱导的DNA损伤。

1976年，Sancar作为博士生在Claud Rupert教授的实验室成功地克隆出光修复酶基因。当时，人们已经知道细菌有两套修复紫外线损伤的机制：一是依赖光作用的“光修复”，需要光修复酶；另一个则是不依赖于光的暗修复。1981年，Sancar利用功能互补克隆技术鉴定了细菌暗修复的三个基因，即uvrA、uvrB与uvrC[12-14]。

1983年，他从细菌中纯化得到UvrA、UvrB和UvrC蛋白[15]，而且在体外实验中发现，这三种蛋白的协同作用可以识别紫外辐射DNA损伤，并在DNA受损部位的两侧链上发生剪切，切除包括损伤位点在内的一段12～13个碱基对的片段(图4)。后来，Sancar发现UvrD(DNA解旋酶II)和DNA聚合酶I可以提高反应速率，它们分别负责催化受损链的移除和新链的合成，最后DNA连接酶催化合成新的磷酸二酯键，将新合成DNA和原来的DNA链连接起来[16]。至此，Sancar成功绘制了细菌中的核苷酸切除通路。1995年，他证明人的细胞中也存在类似的修复系统，只是人的修复系统更为复杂，参与的蛋白因子达到15个之多[17]。

此外，1984—1989年Sancar发表了一系列的文章来阐述光修复酶的作用机制，证明光修复酶可将吸收光子的能量转化成化学能产生局部自由基，从而起始胸腺嘧啶二聚体的降解。Sancar在光修复中做了非常出色的工作。

三位获奖人在DNA修复领域做出了原创而经典的工作，开创了DNA修复的新纪元。他们的共同的特点在于体内发现，并利用体外纯化核心修复酶重建系统来验证这一从低等到高等生物中普遍存在且高度保守的基因组稳定性维持的卫士。

图3 碱基错配修复(图片来源：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/)

4 诺贝尔奖“风向标”

让人兴奋的是，2015年9月生理学和医学领域的另一项大奖——拉斯克基础医学研究奖授予美国新泽西州罗格斯大学Evelyn M. Witkin和哈佛大学医学院布莱根妇女医院Stephen J. Elledge，以奖励他们关于“DNA 损伤应答保护所有生物基因组稳定性机制”的发现。这是美国最具声望的生物医学奖项，迄今为止共有超过300人次获得拉斯克奖，而其中有81位后来获得了诺贝尔奖，所以该奖项也被看作诺贝尔奖的“风向标”。让人自豪的是凭借青蒿素的发现获得2011年拉斯克临床医学奖的中国科学家屠呦呦，也于2015年获得了诺贝尔生理学或医学奖。

Witkin最初以细菌DNA修复为切入点，对紫外线如何引发细菌DNA突变的机制以及细菌内特殊基因如何响应胁迫机制进行了研究。这为后来DNA损伤应急修复机制(SOS)提供了理论基础。1987年Elledge在实验中意外发现当DNA受损或复制叉阻滞时，酵母体内核苷酸还原酶的mRNA含量会急剧上升。这个偶然发现让他对DNA修复的分子机制产生了极大的兴趣并投入其中。最为突出的贡献是他发现真核生物中当损伤造成DNA单链断裂或双链断裂时，以ATR和ATM激酶为核心的信号传导途径[18]。

5 DNA修复与人类健康

DNA修复缺陷与许多血液、免疫、神经等系统的病变密切相关，是癌症发生、发展的根本原因。人体核苷酸切除修复缺陷时会表现出各种疾病，最常见的是着色性干皮病(xeroderma pigmentosum，XP)，典型特点是患者的皮肤和眼睛对太阳光特别是紫外辐射十分敏感，病因是细胞对嘧啶二聚体和烷基化的清除能力降低，易罹患皮肤癌。错配修复基因存在缺陷就可能造成癌症，如遗传性非多发性息肉结肠癌(hereditary nonpolyposis colorectal cancer，HNPCC)，就与DNA 的错配修复基因突变密切相关，特别是hMSH2 和 hMLH1 基因的突变。遗传性乳腺癌基因BRCA1/2参与修复受损的DNA以抑制癌症的发生，而当发生变异时，细胞修复DNA损伤的能力大为降低，导致携带该类基因变异的健康人群更易罹患乳腺癌和卵巢癌。共济失调性毛细血管扩张症(ataxia telangiectasia，A-T)是一种人类常染色体隐性遗传性疾病，其致病基因ATM是参与调控DNA损伤应答的核心激酶，A-T病人的典型特征是神经退行性病变和对DNA损伤事件如离子辐射异常敏感。

最新发布的《2015中国肿瘤登记年报》显示，2011年我国新增癌症病例约337万例，比2010年增加28万例——这相当于每分钟就有6个人罹患癌症。目前，通过对细胞基因组DNA造成不可修复的损伤来杀死肿瘤细胞是临床放化疗的作用机制。然而其选择性不强，在杀死癌细胞的同时也会损伤人体正常的细胞，从而出现一系列的不良反应。如何将辐射剂量或化疗药物靶向性投向癌灶或特异性增加肿瘤细胞对辐射或化疗药物的敏感性，亟待DNA修复的基础研究人员和放射肿瘤医生的携手攻关。

近年来，合成致死概念的临床转化为癌症的靶向放化疗提供了希望。合成致死指两种功能缺陷同时发生时对细胞是致死性的，但是其中任何一种缺陷单独存在都不影响细胞的生存。聚ADP核糖聚合酶(PARP)抑制剂抑制单链DNA断裂(SSB)的修复，未修复的SSB的积累会形成致死性的DNA双链断裂(DSBs)[19]，而精确的DSB修复是由同源重组(HR)所介导的。因此，HR修复缺陷的细胞对PARP抑制剂非常敏感。Olaparib(奥拉帕尼)是世界上首个批准上市的可遗传癌症突变PARP抑制剂，可治疗HR调控关键基因BRCA1/2突变引起的乳腺癌。由于DNA二代测序成本的大幅下降，在各种遗传性和非遗传性的肿瘤基因组中鉴定HR修复基因的缺陷，探索与各种PARP抑制剂及辐射的联合治疗，这将成为非常有希望的癌症治疗方案。同时，利用化学小分子库筛选与PARP抑制剂具有协同致死效应的新化合物，有望找到新的抗癌先导化合物。

任何事物都有其两面性。我们需要DNA修复来维护基因组的稳定性，防止癌症的发生、发展。但是与此同时，我们不要晚期癌细胞的增强版DNA修复能力，因为这种超强的修复能力赋予这些癌细胞对放化疗的耐受性。因此，有效抑制癌细胞的修复活性也是癌症治疗的策略之一。

6 展望

2015年诺贝尔奖和拉斯克奖同时钟情于基因组DNA的“修理工”，这是DNA修复领域的大喜事，值得庆贺。虽然我们知道了参与DNA修复的众多因子及其功能和主要的通路，但是，这些因子或通路如何组成网络调控DNA修复过程？如何与其他细胞活动(如RNA加工、三大物质代谢)协调完成对损伤DNA的修复？如何将DNA修复的基础研究成果转化成DNA修复相关疾病的诊断、治疗和预防的利具……这些挑战亟待更多人的参与研究。

(2015年11月19日收稿)

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(编辑：段艳芳)

DNA-repair crew won the Nobel Prize in Chemistry 2015

WANG Jing, PENG Bin, XU Xingzhi
Beijing Key Laboratory of DNA Damage Response & College of Life Sciences, Capital Normal University, Beijing 100048, China

The Nobel Prize in Chemistry 2015 was awarded jointly to Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar for having mapped and explained how the cell repairs its DNA and safeguards the genetic information. In this overview, we briefly introduced research achievements of the laureates and the link between DNA-repair and etiology, development, diagnosis, therapy, and the prevention of human diseases, cancer in particular.

2015 Nobel Prize in Chemistry, base excision repair, mismatch repair, nucleotide excision repair

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.06.004

†通信作者，E-mail：xingzhi_xu@mail.cnu.edu.cn