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发表于 2010-9-10 23:44 |只看该作者 |倒序浏览 |打印

本帖最后由细胞海洋于 2010-9-11 06:55 编辑 ' P  L3 r9 b- N& i( r5 X
4 C; P; \- j* L5 [6 W, [
【注】本文选自『Nature』09年10月22日出版，1071—1078页4 W# B0 m& T& ~3 ^( p" d, a
每一种生命形式的最主要目的就是将其遗传物质完整地不经改变地传递给下一代。即使是DNA受到内源因素或环境因素的影响这一过程仍然要完成。为了解除对遗传可能存在的威胁，机体有一系列检测DNA损伤、标记损伤存在位置、介导损伤修复的机制。这些可以广泛影响到细胞性活动的应答机制具有重要的生物学意义，因为这些应答机制可以阻止不同人类疾病的发生。我们对于DNA损伤应答机制不断深入的理解为疾病治疗提供了新途径。
每天，在人体内〖10〗^13个细胞中每个细胞都有成千上万的DNA受到损伤。这些损伤阻碍了基因的复制和转录，并且如果这些损伤未被修复或未被正确修复，那么将使得基因组发生更大范围的突变以至于威胁到细胞或器官的基本生命活动。在DNA复制和DNA双链断裂过程中由于拓扑异构酶Ⅰ和拓扑异构酶Ⅱ的失活可能导致DNA序列发生错配，诸如此类的生理过程都可能引起DNA失常。并且，每天在每个细胞中的水解反应及不具酶活性的甲基化反应均可导致数以千计的DNA碱基损伤。氧化呼吸过程或环境中的毒性因子及重金属引起的Fenton反应参与的氧化还原反应产生的物质——活性氧化合物的积累也可能导致DNA损伤。巨噬细胞和中性白细胞在炎症或感染部位也可以产生活性氧和氮化合物。一些化学药品可损伤DNA，使得碱基无法正常配对，阻碍了DNA复制和转录，引起碱基缺失、DNA单链断裂（SSBs）等现象发生。并且，极其相似的两条单链断裂或DNA复制过程中一条单链断裂以及其它一些特定部位的损伤均可能引起双链DNA断裂。尽管双链DNA断裂并不像以上例举的损伤那样频繁发生，但是一旦双链DNA断裂就具有极大地危害性并且很难修复。
环境中最易引起DNA损伤的因子是紫外光。尽管臭氧层吸收了紫外光谱中最具危险性的紫外线C，但是紫外线A和紫外线B仍能使暴露在强日光下的每个细胞每小时发生100,000个DNA损伤。电离辐射来自于放射化合物自发的放射性衰变。例如，铀在衰变过程中产生的放射性物质氡气，在室内累积后可诱发肺癌。在治疗癌症的放射疗法中常需要暴露在自然的或人造的放射性同位素下，放射性化合物碘131和99m锝有利于诊断和治疗良性及恶性的甲状腺疾病。Chernoby1核反应堆带来的灾难和二战期间日本原子弹爆炸都是过度使用放射性物质的教训。
如今，烟草几乎成为最易引发癌症的化学物质，烟草可引发机体多部位特别是肺、口腔以及邻近组织的癌变。导致DNA损伤从而诱发癌变的化学物质还可来源于被污染的食物，例如在被污染的花生中含有黄曲霉毒素类；在烹饪时间过长的肉类中含有杂环胺。引起DNA损伤的化学物质还可在战争中投入使用，但在积极的方面，这些物质可用来治疗银屑病等疾病以及癌症。
在此，我们首先在分子水平上讨论DNA如何受损以及如何修复。接下来将解释这些应答机制怎样影响细胞的生理活动及其重要的生物学意义和它们在预防人类疾病中所扮演的角色。最后，阐述我们对于DNA损伤应答机制的不断深入了解将会为疾病的检测和治疗提供更多的途径。8 H# q+ c; L0 S: y7 T' p2 ?
一套整合信号系统和基因组修复网络
为了解除DNA损伤带来的威胁，细胞具有一套完整的应答机制称为DNA损伤应答（DDR），包括检测DNA损伤部位、标记损伤位置和准备修复。如果细胞的这些应答机制存在缺陷那么将增大机体对DNA损伤的敏感性。并且这些缺陷可能引起人类疾病，在后面将做详细描述。尽管针对不同级别的DNA损伤有不同的应答机制，但通常是由一套程序执行。尽管我们认为DNA修复和DNA损伤信号系统是两个相对独立的机制，但事实上二者共同执行功能并共用许多组分。
DNA修复通路. _* l( E1 ^" `& f2 ?
针对不同类型的DNA损伤需要大量、多样、特定的DNA修复机制。一些损伤是直接由蛋白质介导修复，而大多数修复过程则是由多种蛋白质介导的一系列催化反应。在碱基错配修复过程中，检测到错配序列以及插入物或缺失环后单链将出现一个切口，核酸酶、聚合酶、连接酶在此切口上发生作用。在碱基切除修复过程中，通常由DNA转葡糖激酶识别损伤碱基，介导切除碱基接着由核酸酶、聚合酶、连接酶完成修复，这一修复过程与单链DNA断裂修复过程重叠。在核苷切除修复系统（NER）中，对于螺旋变形碱基损伤的识别有两条不同途径：在转录配对的核苷切除修复过程中，由于损伤部位阻碍了转录因此需对全部基因组进行核苷切除修复。核苷切除修复的关键步骤是将损伤的DNA切成22—30个碱基的寡聚核苷酸，然后由DNA聚合酶类及联结因子将其连成单链DNA。特别地，一些DNA损伤部位并不会被修复而是在聚合酶介导的DNA复制过程中绕过损伤部位，这一过程并不迫切需要碱基配对。

对于双链DNA断裂的修复，主要通过两种修复机制：非同源末端连接（NHEJ）和同源重组（HR）。在非同源末端连接过程中，Ku蛋白识别双链DNA断裂部位并激活蛋白激酶DNA—PKCs，激活并募集终止程序酶、聚合酶以及DNA连接酶Ⅳ。同时，也存在着一条不依赖Ku蛋白的非同源末端连接通路，称为微同源介导的末端连接（MMEJ）或选择性末端连接，这一通路通常会导致序列的缺失。尽管NHEJ和MMEJ时是针对不同的错误进行修复。但是二者在细胞周期中任何一个时相都能发挥作用。相反地，同源重组（HR）因需以姐妹染色单体的DNA序列作为模板介导严格地修复而被限制在S期和G2期间。尽管存在着几条同源重组通路，但同源重组均是由包括MRE11—RAD50—NBS1（MRN）在内的多种蛋白修饰的单链DNA引导的。在RAD51和乳腺癌敏感蛋白BRCA1和BRCA2催化下，单链DNA侵入未损伤的模板，聚合酶、核酸酶、解链酶以及其他组分修饰DNA连接以及底物分解。同源重组还可以重新启动停止的复制分支以及修复链间DNA交联，Fanconi贫血症蛋白也参与了这一修复过程。$ P- l3 U- x" y0 n3 S
DNA损伤信号系统和细胞周期检验点9 ~* ?: S9 M8 @& C' k% w* T
在哺乳动物细胞的DNA损伤应答机制中起关键作用的是蛋白激酶ATM和ATR，ATM和ATR可以被双链断裂或包有ssDNA的浮脂蛋白A（RPA）激活并募集。目前研究地较为清楚地ATM/ATR作用的靶蛋白是蛋白激酶CHK1和CHK2。CHK1和CHK2与ATM、ATR通过多种机制如由转录因子P53介导活性的通路来抑制细胞周期蛋白依赖激酶（CDK）的活性。抑制了CDKs的活性可以减缓或停止细胞周期中G1期到S期、S期内部以及G2期到M期的细胞周期检验点的进程，以此为细胞在复制或有丝分裂前提供充足的时间进行DNA修复。同时，ATM/ATR信号系统通过抑制DNA修复蛋白的转录性或后转录性，在损伤部位募集修复因子，通过磷酸化、乙酰化、泛素化、SUMO介导泛素化激活DNA修复蛋白从而增强DNA修复。蛋白组学关于许多迄今还尚未清楚的磷酸化作用的最新研究表明，DNA损伤应答机制还对细胞的其他生理活动进行调节。若通过以上途径DNA修复完成则DNA损伤应答机制失活，细胞恢复正常的生理功能。若损伤不能被修复则DNA损伤应答机制将引导细胞进入细胞凋亡或细胞衰老进程，细胞凋亡和细胞衰老具有抗肿瘤的功能。后文将讨论另一种重要的单、双链断裂信号蛋白——多聚酶（ADP—核糖）聚合酶（PARP）。9 \, x) w, R+ J' ]" j$ N" }
染色质结构与DNA损伤应答机制的相互作用已逐渐明确。对此最典型的例证就是在染色质侧面双链断裂部位ATM/ATR/DNA—PK介导的组蛋白H2A类中的一种H2AX第139位丝氨酸磷酸化。磷酸化后泛素化合物在损伤部位聚集并募集DNA损伤应答因子和其他染色质修饰组分，这些因子共同作用进行双链断裂修复和放大双链断裂信号。总之，ATM活化可以引起双链断裂部位染色质解聚变松弛，最新研究表明组蛋白H2AX第142位酪氨酸的磷酸化在DNA损伤应答中具有一定功能。然而，DNA损伤应答机制对于染色质的作用仍有待更深入的研究。
不同生命活动中的DNA损伤应答
产生多样的免疫受体! p8 ?0 x8 ]$ Z6 g$ ]
脊椎动物体内已知的基因组改变方式有V(D)J重组，种类转换重组以及体细胞超突变。这些过程发生在发育的淋巴B细胞和淋巴T细胞内以此产生能够识别多种抗原体和病原体的多样的免疫球蛋白和T细胞受体（TCR）。免疫球蛋白和TCR蛋白包含有与特异性抗原结合的区域以及赋予TCR或免疫球蛋白特殊功能的区域。编码抗原特异性结合区域的分子是由V、D以及J段节以不同方式组合而成的，可以产生成熟的免疫球蛋白和TCR基因。每一节都含有一段可以被RAG1—RAG2蛋白识别的重组信号序列，识别后在信号序列上产生钝的双链断裂并在密码子末端靠近DNA发夹结构域附近产生一个共价键。这些结构也在NHEJ中发挥作用。因此，电离辐射除了引起超敏反应外还偶连着免疫缺陷症。5 k% _0 l! Z3 }( ]$ t* |7 k5 P' p
在抗原受激后B细胞开始分化，最初与Igu特定区域融合的免疫球蛋白重链重排并发生种类转换重组。V区与几个编码抗原刺激后的免疫球蛋白B细胞的特定功能区域相并列，体细胞超突变激活以增加V区重链和轻链的突变率，常用节段的扩增可使B细胞的免疫球蛋白分子与抗原具有更强的亲和力。与V(D)J重组不同，种类转换重组与体细胞超突变需要激活脱氨酶（AID）。AID作用于外显子的多个部位及IgH转换区可引发胞嘧啶和尿嘧啶的脱氨基作用，导致U•G碱基错配从而引起错配修复和/或碱基切除修复而产生单链断裂。在体细胞超突变中，对于单链断裂的错误倾向性修复是在不同的外显子区产生突变；然而在种类转换重组中，由NHEJ将免疫球蛋白的多个外显子区并列成为一个恒定的外显子区从而由单链断裂改为双链断裂。$ f7 C; O& ?  ~6 Y) q
有性生殖配子的产生! X" d4 [: K5 m6 w% [# O
DNA的损伤应答在通过有性生殖而产生多样基因的过程中也扮演了重要角色，减数分裂作为有性生殖的一种在细胞分化过程中产生单倍体的配子。在DNA复制完成后，减数分裂进行两次连续的细胞分裂：减Ⅰ期两个独立的染色体分离；减Ⅱ期姐妹染色单体分离。在减Ⅰ前期，同源染色体联会并通过同源重组交换遗传信息。从酵母菌到人类的所有物种中，减数分裂同源重组均是由拓扑异构酶Ⅱ相关酶——Spo11介导产生。Spo11偶联双链断裂，在MRN的参与下Spo11移除并且双链断裂，为ssDNA中同源染色体的同源重组做准备。这一过程需要参与有丝分裂同源重组的所有组分及减数分裂特有的RAD51类蛋白DMC1参与。因此，缺乏Spo11或DMC1的小鼠虽健康却不能生育。此外，DNA损伤应答因子如ATM、MRN和H2AX参与调节有丝分裂的同源重组过程。
端粒的稳态和老化
在大多数有机体中，染色体的末端是由一段短的DNA重复序列以及3′突出部作为结尾构成的端粒。这段重复序列通常由核糖核蛋白复合端粒酶产生，但在一些癌细胞中它们可由端粒机制的同源重组碱基选择性延长。尽管端粒作为DNA末端结构，但端粒被Shelterin抑制阻止其参与NHEJ介导的融合或激活ATM/ATR信号系统。然而，多种DNA损伤应答蛋白在正常的端粒结构中扮演了重要的角色。因此，它们的缺陷将引起端粒变短和/或端粒功能障碍导致染色体融合最终引发染色体的不稳定性。此外，哺乳动物的端粒是在G2期由MRN和ATM识别，可引发DNA损伤应答促使端粒终止程序及Shelterin复合物生成。同源重组蛋白如RAD51D也需要端粒的完整性，端粒可能影响到它们在末端着丝粒3′突出部位侵入DNA双链体内部的端粒序列处建立T—环结构的作用。" `$ a! h+ m/ m) ^5 F
端粒酶可以消除由于DNA复制机制对染色体末端不能全部复制引起的端粒变短的作用，但在除特殊的细胞如干细胞之外的人类细胞中端粒酶通常并不被表达。因此，人类的端粒随着每一次细胞分裂而缩短直到DNA末端不再含有端粒重复序列。这些不具有端粒的DNA最终被认为是双链断裂，引发染色质融合随后进入断裂—融合—断裂的循环。这种情况下DNA损伤应答被缓慢激活，细胞走向细胞凋亡或衰老。已有证据表明这一过程发生在自然老化或细胞高度更新的条件下，如慢性炎症或持续感染。导致老化相关的部分生理变化是端粒缩短和/或DNA损伤的累积，其标志为在人类和鼠的老化细胞中不断积累的未修复的双链断裂，在特定DNA损伤应答缺陷的小鼠中呈现出加速老龄化的特征。因此，细胞衰老常发生在人类与年龄相关的疾病中，包括粥样硬化病变，皮肤溃疡以及关节炎。6 g8 {2 j" n* C, ^6 n8 L
DNA损伤应答机制的生理调控
推测不同细胞的生理活动可能是由不同的DNA损伤应答机制造成的。事实上，一些DNA修复通路参与下调细胞分化，对一些无区别的细胞进行迅速DNA修复。例如，致力于终止神经元和巨噬细胞分化的机制为一种新的NER，称为分化相关修复，在这一机制中转录和非转录的DNA链均被有效修复而非转录的基因座很少或不被修复。在哺乳动物神经系统的发育中双链断裂修复也发生了变化，同源重组成为神经元增殖的重要决定因子，而NHEJ则严格控制着神经元末端的分化。对于后期进行有丝分裂的神经元NHEJ成为最初的双链断裂机制，而分化产生神经前体仍需要通过同源重组。考虑到它们对于组织稳态和更新的重要性，因此推测干细胞将高度依赖于DNA损伤应答机制。事实上，碱基切除修复，NER，错配修复，同源重组以及Fanconi贫血症复合参与修复干细胞功能，并且在小鼠体内NER或NHEJ缺陷将引发年龄相关的造血干细胞衰退。
许多调节生理活动的机制都是与明—暗循环同步的，这一过程依赖于受光刺激调节的昼夜节律生物钟。最新研究证实生物钟与DNA损伤应答机制在分子水平上存在着联系。例如，漂亮新小杆线虫的生物钟基因CLK—2可影响辐射敏感性，CLK—2基因以及哺乳动物体内类似基因控制着复制过程中S期的检验点。并且，最新研究表明NER受到昼夜节律钟的调节。也许通过这些联系能够让细胞在生理或外界环境引起的大范围DNA损伤的情况下迅速进行强大的DNA损伤应答机制。
病原体的生命周期; A: a8 @! l$ {9 V' j7 w7 Y  `/ r
病原体细胞同样具有DNA损伤应答蛋白以缓解DNA损伤的影响。并且，突发修复和重组在病毒体内也偶有发生，因此加速了如鸟类流感病毒（H5N1）和猪源流感病毒（H1N1）这些病原体的进化。此外，某些病原体通过DNA损伤应答机制来加强毒性。例如，非洲锥虫是一种可传染包括人在内的所有哺乳动物的真核单细胞寄生虫，它可以通过同源重组周期性改变具保护性的可变表面糖蛋白外衣，以此逃避寄主的免疫监视。此外，某些细菌、植物以及真核单细胞抗原体通过双链断裂修复机制整合入完整的抗性基因以此获得毒性或对杀虫剂的抗性。当细胞被反转录病毒（如HIV—1）、腺病毒、单纯包疹病毒1和2、乙型肝炎病毒、非洲淋巴瘤病毒、巨细胞病毒、卡波西肉瘤病毒、猿病毒40以及多瘤病毒等病毒感染后也会激活DNA损伤应答机制。事实上，DNA损伤应答因子通常为机体抵抗病原体提供了一条途径，然而病毒也有多种方法逃避这些应答机制。例如，人乳头瘤病毒16和18号含有E6蛋白作用于可使蛋白质水解的肿瘤抑制基因P53，以此防止被感染细胞走向凋亡。此外，MRN复合物与NHEJ组分可通过将腺病毒基因组连环化来降低病毒的侵染性；但病毒可通过恢复DNA—DK活性而使MRN复合物紊乱并最终使其降解。有时寄主细胞的DNA损伤应答机制激活甚至会促进病毒的侵染性。例如，NHEJ可介导单纯包疹病毒复制所必需的将线性双链DNA转换成环形这一过程。此外，CHK2基因缺损或ATM失活均可抑制HSV—1的生长。反转录病毒可通过双链RNA基因反转录得到双链DNA，但这一过程必须依赖整合入寄主的基因组才能产生新的反转录病毒。特别地，ATM、MRN以及NHEJ蛋白可能作为反转录病毒整合过程中间物质而成为有效感染所必需的物质。
DNA损伤应答及人类疾病
癌症与DNA损伤间的直接联系：
癌症的一个基本特征就是基因组不稳定性。例如，淋巴肿瘤的基因组不稳定性通常与染色体异位类似，在此处原癌基因的基因座与抗原受体融合形成异常的抗原—受体重组。此外，错配修复缺陷引起的小随体不稳定性大大增加了直肠癌和子宫内膜癌的发病率。并且，在大多数肿块中，都观察到了染色体的不稳定性。当初生肿瘤的端粒严格变短并且易与染色体融合，融合后染色体的不稳定性暂时升高，继而癌基因的激活和针对双链断裂的DNA复制应急体系不断加剧了染色体的不稳定性。在癌症晚期，慢性缺氧和/或周期缺氧以及氧合作用也会导致基因组不稳定性以及DNA损伤应答机制的失灵。( `- h$ o. N/ D( ^7 |+ j3 H1 x
DNA损伤及其引发的突变是大多数癌症的诱因。并且，遗传性DNA损伤应答的缺陷致使许多恶性肿瘤突变的表达也可诱发癌症。并且，即使增大突变率及基因组不稳定性也不影响肿瘤细胞的存活及增殖。特别地，由于癌基因的激活或肿瘤抑制基因的失活引发的细胞异常增殖都会形成DNA损伤并激活DNA复制应激机制。例如，在细胞培养模型及体内肿瘤形成过程中，损伤激活ATR/ATM介导的信号系统使细胞最终走向衰老或死亡。事实上，在早期肿瘤性损伤就激活了DNA损伤应答机制以防止肿瘤恶化，已证实若这一屏障被破坏，那么将导致突变或DNA损伤应答成分的失活并最终使得肿瘤恶化。DNA损伤应答机制作为一道抗癌屏障解释了为什么在癌症患者体内存在着高DNA损伤应答缺陷率。4 Q6 W" g% K! ?
神经退行性疾病
在神经元内DNA损伤的积累与神经退行性疾病相关，包括阿尔茨海默尔症、亨廷顿症、帕金森症以及共济失调。引起这一现象的一个原因可能是神经元内线粒体的高强度呼吸作用产生的活性氧导致了线粒体和细胞核DNA的损伤。碱基切除修复和单链断裂修复可修复此类损伤，一旦这些通路缺陷将导致神经元的功能障碍和变性。神经系统如此易受DNA损伤影响的另外一个原因就是成年期细胞替换能力有一定限度，很可能导致神经元高度分化后损伤积累但无法进行替换。此外，在G0期，此类细胞并不通过同源重组而是通过易出错的NHEJ进行双链断裂修复。值得注意的是，氧化性DNA损伤可阻碍神经元高度依赖的转录过程。因此，在修复缺陷型病人及老龄化的正常个体内，DNA损伤的不断积累可能逐渐使神经元的转录功能失活并最终导致细胞功能障碍或细胞凋亡。因此推测，DNA链断裂修复和转录配对NER的缺陷最终导致了共济失调及Cockayne综合症的神经退行性病变。
在人类遗传性疾病中的基因组不稳定性
现已知的由DNA复制过程中遗传信息的增加或减少引起的疾病高达40种，每一种疾病在三核苷酸列上都含有一个特殊的基因座。在DNA复制和DNA修复过程中这些区域随着复制不断积累最终导致DNA二级结构异常并导致基因组不稳定。此类神经肌肉相关疾病及神经退行性疾病主要有脆性X染色体综合症，家族性遗传性共济失调，脊髓小脑共济失调，2型糖尿病，克雅氏病，营养不良性肌强直以及亨廷顿症。类似地，由于线粒体DNA突变和重排而导致的线粒体功能障碍的疾病有肌萎缩侧索硬化，线粒体脑肌病，利氏综合征，肌阵挛性癫痫，莱伯遗传性视神经病，以及神经病和肌病。' B0 I8 o- W  }; Z7 L5 A
免疫缺陷和不育
在免疫系统发育过程中，DNA损伤应答因子参与了基因组重排，因此DNA损伤应答的缺陷也会导致免疫缺陷。例如，NHEJ因子的突变将导致B细胞、T细胞免疫缺陷，运动失调性毛细血管扩张症（AT）和奈梅亨氏损伤综合症（NBS）（分别由ATM和NBS1缺陷引起）有致命危险，这些均是由免疫系统受损引起的（AT患者种类转换重组尤其受损）。此外，由于V(D)J重组受损可导致B细胞、T细胞区域淋巴瘤、白血球过多症发生最终诱发癌症。人类不育是一个重要的课题，在西方国家有20%的男性受此困扰。由于减数分裂的重组过程中产生双链断裂，因此特定DNA损伤应答机制的缺陷会导致人类不育。事实上，在精子生成时DNA损伤应答信号系统就已处于准备状态，因此不育或生育率较低均具有显著地遗传性DNA应答机制缺陷。在人类不育中有很大一部分比例都是由DNA损伤应答机制缺陷引起的。, [) ^0 j) l' \, X! L) }
老龄化，干细胞功能障碍，心血管疾病，代谢综合症
有证据表明老龄化部分是由DNA损伤累积引起的。首先，在健康的包括人类在内的哺乳动物中，随着年龄的增长细胞核与线粒体内的基因组由内源因素导致的DNA损伤不断积累。由此导致的不仅是不断积累的DNA损伤并且DNA修复能力随着时间推移而衰退。其次，患有遗传性DNA损伤应答缺陷的病人均会表现出早熟衰老症的特征。第三，多种组织都是由生长激素和胰岛素样生长激素—1信号系统调节寿命，并且该信号系统受到DNA损伤影响。对于寿命的调节通路表现为一种拮抗的基因多效性，在生命早期会选择有利于促进生殖且抑制肿瘤发生的生理过程（如激活DNA损伤应答信号系统），在生命晚期会启动有害基因以去除干细胞，因此导致了生命体的老龄化。
细胞衰老和凋亡很可能是由于随着年龄增长由于组织不断再生而耗尽了干细胞而引起的。在Fanconi贫血症、NER、错配修复及NHEJ通路等存在缺陷的小鼠体内，均表现出由DNA损伤导致的上述情况发生以及干细胞功能损伤。此外，P53基因诱导的细胞死亡可防止肿瘤发生，促细胞凋亡P53基因激活后易引发心脏病。机体对氧化应激可诱导产生P53基因并且其他类型的DNA损伤也可能导致动脉粥样硬化，因此DNA损伤应答机制与心血管疾病存在着一定联系。事实上，不断有证据指出人类动脉粥样硬化具有明显的DNA损伤和DNA损伤应答信号系统激活的特征，导致血管平滑肌细胞衰老及其他细胞死亡最终引起动脉粥样硬化病变。对ROS产物及DNA损伤应答机制的调节是治疗动脉粥样硬化潜在方法之一。3 H9 C% u5 i7 A
代谢综合症相对较为普遍，包括有葡萄糖异常代谢、胰岛素抗药症及动脉粥样硬化。有趣的是，ATM缺陷的患者通常会表现出胰岛素抗药症和葡萄糖耐受不良的症状，在ATM突变的杂合或纯合小鼠体内均呈现出了代谢综合症和动脉粥样硬化病变的特征。此外，DNA损伤应答调节激酶作用于包括葡萄糖代谢和胰岛素—AKT激酶信号系统在内的多种底物。因此，尽管在DNA损伤应答与代谢综合症间并不存在直接联系，但是很可能DNA损伤应答直接调节了能量代谢的某一方面和血管的生理活动，因此与代谢综合症存在一定关联。
利用DNA损伤应答的相关知识治疗疾病
癌症
普遍治疗癌症的方法除了外科手术外还有放射疗法和化学疗法，放疗与化疗将会产生DNA损伤。尽管这些治疗方法在正常组织中会产生剂量限度的毒性，但这些方法通常都很有效。事实上，癌细胞是DNA损伤应答缺陷细胞并且比大多数正常细胞具有更快的增殖能力（S期是DNA极易受损的时间）。然而，DNA修复成为一种普遍的抵抗癌症治疗的机制。例如，研究表明神经胶质瘤细胞呈现出高效的DNA损伤应答并且对于放疗表现出顽固的抗性，因此解释了胶质母细胞瘤为何难以治愈（癌症干细胞对于放疗和化疗的抗性可能与其独特的DNA损伤应答机制相关）。因此推测，若抑制了DNA损伤应答可能会提高放疗和DNA损伤化疗的疗效；并且事实上，已有多种DNA损伤应答抑制药物使用到前临床及临床试验中以检验这一假说。DNA损伤应答抑制素的另外一个用途就是阻碍由CHK2、P53等介导的细胞凋亡，以此减轻治疗过程对正常组织的损伤。1 t( s4 ]- U; R. A
在肿瘤发生过程中，许多乃至所有癌细胞都缺乏一种或多种DNA损伤应答机制。事实上，恢复缺失的DNA损伤应答相关因子通常会对治疗起到积极效果（除缺乏P53及后细胞凋亡蛋白外，因其通常会阻碍治疗）。由于不同的DNA修复通路在功能上相互重叠，一条通路有时可弥补另一通路的缺陷，因此抑制癌细胞的DNA修复通路在某种情况下对于癌症比正常组织会起到更好的效果。对此一个范例就是使用药物作用于PARP1酶，PARP1酶是促进单链断裂修复和碱基切除修复过程中的中间物质。显然，PARP抑制素对正常细胞无毒性但对同源重组缺陷细胞具有显著细胞毒性，尤其针对BRCA1或BRCA2损伤细胞。在1期客观的数据基础上，测试PARP1抑制素对BRCA缺陷引起的乳腺癌和卵巢癌的作用正在2期实验中。值得注意的是，一些偶有发生的乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、胰腺癌及其他肿瘤均具有由于突变或后生同源重组组分失活引起的同源重组缺陷，因此表明PARP抑制素可能存在着广发用途。此外，由于癌症致使其他细胞的DNA损伤应答通路受损，因此可能存在DNA损伤应答抑制素呈现出选择性抗肿瘤性。与此相符的是，CHK1抑制素对DNA损伤机制的敏感性P53缺陷细胞比正常细胞更高。鉴定DNA损伤应答机制在癌细胞和正常细胞间的不同的诊断程序的不断发展，为智能剪裁DNA损伤治疗和DNA损伤应答抑制剂治疗提供了广阔空间。此外，由于在癌症发生过程中DNA损伤应答机制会被普遍激活，因此筛选出DNA损伤应答标记可提高癌症检测的敏感性和可信度，并且在疾病恶化前可有效检验出。在长期过程中，可能通过研发加强DNA损伤应答的药物来降低癌症发病率。已有证据表明，依赖于P53的DNA损伤应答的小鼠比起野生型小鼠不易患癌症。
缺血—再灌注损伤，发炎性疾病以及老龄化
尽管DNA损伤应答机制通常会防止疾病发生，但其高激活率也可能导致发病。最初的例证是缺血—再灌注发病与心肌梗塞存在一定关系，由于氧合作用和NO作用产物导致的DNA损伤可高度激活PARP1。这减少了细胞内的辅酶i二核苷酸，导致了ATP产物损伤以及细胞坏死。值得注意的是，在啮齿动物体内通过遗传失活或药理学抑制PARP1可保护细胞免于死亡，并且可降低器官功能障碍发病率。相似地，通过动物模型实验发现PARP1抑制后可防止由慢性炎症引起外伤性脑损伤、内毒素性休克及药物引起的糖尿病。因此，PARP1抑制素可能对治疗此类病症有较好的疗效。同样值得关注的是P53功能障碍与炎性疾病和动脉粥样硬化相关，研究表明药物调节P53及其上游激活物ATM可改善此类病症。随着我们对于DNA损伤和DNA应答机制的不断深入了解，与此相关的神经退行性疾病和其他年龄相关的退化疾病可通过DNA损伤应答分子药物有效缓解，甚至对于正常的老龄化进程也可有效。
病毒，寄生虫及其他疾病, ]8 |9 B1 }/ |0 ^  V
DNA损伤应答蛋白在人类寄生虫和病原体生命周期中的功能表明DNA损伤应答抑制素可用于治疗相关疾病。例如，HIV对于寄主细胞DNA损伤应答因子的依赖表明了DNA损伤应答抑制素在AIDS治疗方面的潜在能力。尽管此类治疗方法还有待评估其可能存在的副作用，但这种直接作用于病原体本身的方法较传统治疗方法存在着不会轻易产生抗性的优点。此外，将不断研发能区别寄主细胞而直接作用于细菌DNA损伤应答机制的抗菌剂。
基因治疗$ P% W( s/ i9 z, K- t* f, H
对于许多人类疾病，纠正基因的功能障碍是一种长期探索的治疗方法，如免疫缺陷症、囊性纤维化、肌营养不良症以及遗传性失明。尽管已取得一些成功。但这一过程受到正常组织的干扰，组织大规模地将引入基因通过NHEJ介导整合入肿瘤抑制基因座。尽管在近期内很难找到克服此障碍的方法，但不断发展的抑制NHEJ或促使基因整合至所需基因座的方法为优化基因治疗提供了广阔空间。' ]5 X/ G9 e. C) k
未来挑战# |7 w+ B' h# s' {
对于DNA损伤应答已进行了大量研究，但很多地方仍有待考察。一个重要的挑战就是要了解DNA损伤应答如何精确地作用于多种细胞功能及如此繁复的生理过程是如何有机的结合在一起。此外的一些重要课题就DNA损伤应答如何形成、由其他通路如何调节，以及相同的DNA损伤应答机制如何在癌细胞、干细胞等不同的细胞和组织中产生不同的应答效果等相关问题做出研究。这些知识不仅让我们深入了解到DNA损伤应答的功能，并且毋庸置疑为更好的了解并治疗相关疾病、保证人类健康提供了更广阔的空间。