在3個DDR激酶中，DNA-PK和ATM主要被DNA的雙鏈斷裂(DSB)激活，而ATR主要被各種單鏈損傷激活，參與多種DNA損傷的修復(fù)，對于復(fù)制細(xì)胞的生存能力至關(guān)重要。

ATR的全稱是ATM和Rad3相關(guān)激酶(ATM and Rad3 related)。Rad3是一種酵母蛋白，與ATM蛋白相似。rad3突變體對電離輻射敏感，并顯示檢查點(diǎn)缺陷。ATR是其在人體中的對應(yīng)基因，1996年被克隆。

ATR通過其伴侶蛋白ATRIP被募集到覆蓋有復(fù)制蛋白A(RPA)的損傷區(qū)域。RPA是真核生物的單鏈DNA結(jié)合蛋白，損傷處的單鏈DNA(ssDNA)被RPA包圍后會募集ATR-ATRIP復(fù)合物。

RPA-ssDNA是許多DNA修復(fù)途徑的重要結(jié)構(gòu)。除了HR外，RPA-ssDNA還參與核苷酸切除修復(fù)，錯配修復(fù)，堿基切除修復(fù)和復(fù)制叉重啟。ATR-ATRIP識別RPA-ssDNA的能力使其在感知DNA損傷和復(fù)制壓力方面非常重要。

ATR的多步驟激活。Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013 Sep; 5(9): a012716.

ATR的激活是一個復(fù)雜的多步驟過程，包括ATR的自磷酸化，Rad17-Rfc2-5募集到ssDNA和dsDNA之間的連接處，裝載Rad9-Rad1-Hus1(9-1-1)檢查點(diǎn)鉗以及募集TopBP1等。

TopBP1(DNA topoisomerase 2 binding protein 1)具有刺激ATR激酶活性的ATR激活域，激活域的失活突變對哺乳動物細(xì)胞是致命的。另一種ATR激活蛋白ETAA1含有與TopBP1類似的ATR激活域，但它可通過直接與RPA結(jié)合而被募集，可能負(fù)責(zé)不同類型的損傷。

ATR募集與CHK1激活。Mol Cell. 2017 Jun 15;66(6):801-817.

ATR的激活導(dǎo)致多種下游靶標(biāo)，如CHK1、SMC-1、ATM和p21等的磷酸化。其中CHK1是最為重要的一個分子，它可以調(diào)控Cdc25A、RAD51、p53和DNA-PK等分子，調(diào)控多種細(xì)胞過程。

CHK1促進(jìn)CDC25A的蛋白酶體降解，可以降低CDK(細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶)活性，抑制細(xì)胞周期進(jìn)程，為DNA修復(fù)爭取時間。CHK1還通過BRCA1、BRCA2和RAD51的磷酸化促進(jìn)HR(同源重組)，通過DNA-PK的磷酸化促進(jìn)NHEJ等。

CHK1和CHK2都可以通過p53調(diào)控細(xì)胞周期和凋亡，這是ATM和ATR途徑的交叉點(diǎn)之一。其實(shí)二者有很多crosstalk，構(gòu)成了復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

DDR信號網(wǎng)絡(luò)。Pharmacol Ther. 2014 Sep; 143(3): 323–336.

ATM和ATR都可誘導(dǎo)細(xì)胞的代謝重編程。有研究表明，ATM可通過誘導(dǎo)限速酶6-磷酸葡萄糖磷酸脫氫酶(G6PD)來激活PPP，以提供足夠的NADPH和5-磷酸核糖。ATR可促進(jìn)核糖核苷酸還原酶亞基RRM2在轉(zhuǎn)錄和翻譯后水平上的上調(diào)，從而增加脫氧核糖核苷酸的供應(yīng)。

DNA損傷修復(fù)中涉及的主要代謝途徑。Front Oncol. 2018; 8: 15.

對于多數(shù)調(diào)控過程來說，為了能夠及時啟動與停止，磷酸化反應(yīng)必須是可逆的，所以需要一系列相應(yīng)的激酶和磷酸酶。DDR也是這樣，激酶與磷酸酶的協(xié)同作用共同維持細(xì)胞對DNA損傷的合理應(yīng)對。

參與DNA損傷反應(yīng)的磷酸酶。Int J Mol Sci. 2020 Jan 10;21(2). pii: E446.

NER(核苷酸切除修復(fù))用于修復(fù)大片段的DNA損傷。BER(堿基切除修復(fù))可修復(fù)個別堿基的損傷。這兩種修復(fù)以前統(tǒng)稱為切除修復(fù)，都是由特異的核酸內(nèi)切酶識別DNA的損傷部位，在其附近將DNA單鏈切開，再由外切酶將損傷鏈切除，由聚合酶以完整鏈為模板進(jìn)行修復(fù)合成，最后由連接酶封口。

二者識別損傷的蛋白不同。BER針對DNA中因氧化，甲基化等化學(xué)修飾而損壞的單個堿基，所以第一步需要糖苷酶識別并切斷損傷堿基形成的N-糖苷鍵，如8-氧代鳥嘌呤-DNA糖基化酶(OGG1)，3-甲基腺嘌呤-DNA糖基化酶(MPG)或核酸內(nèi)切酶VIII-like 1(NEIL1)等。

BER過程。Nucleic Acids Res. 2013 Oct; 41(18): 8403–8420.

在NER中，DNA損傷結(jié)合蛋白2(DDB2，p48)與DDB1形成復(fù)合物，可以識別UV誘導(dǎo)的環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPD)。XPC和hRad23B形成的二聚體可識別紫外線誘導(dǎo)的6-4PP(另一種嘧啶二聚體)。RPA-XPA復(fù)合體識別6-4PP和順鉑損傷等。

BER的第二步是用AP(apurinic/apyrimidinic，缺嘌呤或缺嘧啶)核酸內(nèi)切酶來切開已經(jīng)切除了錯誤堿基的DNA鏈，然后用DNA聚合酶β填補(bǔ)缺口等。有時會發(fā)生鏈取代反應(yīng)，稱為long-patch BER，而前者稱為short-patch BER。長補(bǔ)丁途徑還涉及側(cè)翼核酸內(nèi)切酶(flap endonuclease 1，FEN1)和PCNA(復(fù)制體上的滑動鉗)等因子。

NER過程。Nucleic Acids Res. 2013 Oct; 41(18): 8403–8420.

NER的切除過程更加復(fù)雜，需要在損傷部位兩側(cè)切口，涉及轉(zhuǎn)錄因子TFIIH和一系列著色性干皮病(XP)蛋白。XP是一種常染色體隱性遺傳病，導(dǎo)致皮膚干燥，有色素沉著，易患皮膚癌。

與該疾病相關(guān)的遺傳缺陷至少有八種，導(dǎo)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參與核苷酸切除修復(fù)(NER)，而XPV編碼參與前導(dǎo)鏈中受損DNA復(fù)制的DNA聚合酶。

NER和BER過程中的很多蛋白可以被DDR誘導(dǎo)，如p53、BRCA1可以上調(diào)DDB2、XPC、PCNA、FEN1等的表達(dá)。

還有一類稱為直接逆轉(zhuǎn)(DR)的修復(fù)，可以逆轉(zhuǎn)某些形式的堿基損傷，而無需切除堿基。例如光復(fù)活酶可被可見光(300-600 nm)激活，分解由于紫外線照射而形成的嘧啶二聚體。此酶廣泛存在，但人體只存在于淋巴細(xì)胞和皮膚成纖維細(xì)胞，且是次要修復(fù)方式。

線粒體DNA的修復(fù)。Oxid Med Cell Longev. 2012; 2012: 282438.

線粒體DNA也需要修復(fù)。由于線粒體DNA與線粒體內(nèi)膜非常接近，所以比核DNA更容易遭受氧化損傷。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在線粒體中存在BER和MMR過程。

總結(jié)

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