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【摘要】 本文就DNA损伤、修复与细胞转化的研究进展做一综述，重点介绍和讨论了内源性及外源性因素导致的DNA损伤及特性、DNA修复基因改变和某些重要相关基因特异性的修复与复制过程在恶性转化过程中的作用和意义。
【关键词】 DNA损伤；DNA修复；DNA修复基因；恶性转化
肿瘤是一个严重危害人类健康的世界性医学难题，对其发生机制的研究一直是广为关注的焦点。目前已经普遍认识到肿瘤的发生发展是一个涉及不同阶段、多种相关基因改变的复杂过程，而这些基因改变往往又与机体内在遗传因素和环境致癌因素的长期累积性损伤作用有关。当受到遗传毒物攻击后，细胞可发生凋亡或通过一系列调节机制阻滞细胞周期进程，抑制DNA复制和细胞分裂，同时诱导DNA修复过程修复损伤DNA，以避免损伤DNA进入子代细胞及突变发生。由此可见，DNA损伤、修复、复制与基因突变和恶性转化具有十分密切的内在联系。研究这些过程的机制和特性，对于全面阐明细胞转化的分子机制具有重要意义。本文拟就内源性及外源性因素导致的DNA损伤及特性、DNA修复基因改变和某些重要相关基因特异性的修复与复制过程在恶性转化过程中的作用和意义综述如下。
1 DNA损伤及其一般特性
尽管癌变的发生存在着某些基因外机制，但DNA损伤和基因结构的异常以及由此造成的重要相关基因表达或功能上的改变，是细胞恶性转化的主要前提［1］。首先，细胞DNA在复制、修复、基因重排等正常细胞过程或在生理条件下其分子本身发生水解、氧化、甲基化等化学反应均可引起自发性损伤。在大多数情况下，这些损伤可导致碱基错配而发生点突变。其中最常见的自发性化学修饰是CpG岛中5-甲基胞嘧啶（5-mC）的脱氨反应。5-mC脱氨后生成胸腺嘧啶，因而导致G∶T错配。如果未被修复，将导致C→T转换。除自发性损伤外，细胞DNA还可受多种环境理化因素的作用而发生损伤。离子辐射、紫外线（UV）可导致DNA链断裂、嘧啶二聚体及交朕等损伤；化学致突变物/致癌物如N-亚硝基化合物、多环芳烃等可使DNA发生碱基修饰，形成多种类型的加合物；一些嵌入剂还可以非共价结合的形式嵌入到DNA分子中，从而改变其结构等。
细胞受到DNA损伤因子作用后，其基因组中DNA损伤的分布并非均匀一致，这可能和遗传毒物与DNA碱基之间化学反应的特异性及染色质的高级结构有关。证据表明［2，3］，染色质中高转录区域、重复DNA、核基质相关DNA及位于染色体脆性部位的DNA易于受损。致癌性化学物易与复制期DNA结合，特别是其复制叉部位。上述研究提示，遗传毒物在基因组中可能具有特异的靶序列或靶区域，而基因组中的各个基因因其序列、在染色质中的结构及其所处的转录与复制的状态不同，对损伤的敏感性也可能不同。
2 DNA修复与细胞转化
如上述所，造成DNA损伤的因素及损伤类型有多种，但并非所有损伤都能导致突变，其原因就在于细胞的DNA修复系统能够清除和修复这些损伤。如果正常的DNA修复系统发生遗传改变致使功能缺陷或丧失，则势必造成受累细胞DNA损伤及突变的固定和积累，使基因组不稳定性增加，最终导致细胞的恶性转化。另外，特定基因序列中损伤DNA的慢修复也可能对转化相关基因的突变起到间接作用。
2.1 DNA修复基因的改变 DNA损伤修复的过程非常复杂，是与细胞周期的调节、DNA复制和转录等生命过程紧密相关的。参与这一过程的某些基因异常，是导致恶性转化的重要原因。已知哺乳动物细胞中DNA损伤修复的途径有多条，根据其修复的对象或机制不同可将其分为直接修复、核苷酸切除修复（NER）及错配修复（MMR）等。目前已克隆出70余个直接与DNA修复相关的基因［1］，它们分别参与上述一个或多个修复途径。其中，与细胞转化及癌变关系较为密切的基因包括06-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）基因、MMR基因及NER基因等。
2.1.1 MGMT基因 烷化剂是一大类遗传毒物，可多位点攻击DNA分子使之发生不同类型的烷化损伤，其中以06-甲基鸟嘌呤（06-mG）的形成危害最大。06-mG可与T共价结合，造成G.C→A.T转换，这也是烷化剂引发点突变的最重要原因。MGMT可通过不可逆的反应将DNA中的06-mG的甲基转移到自身的半胱氨酸残基上，使损伤DNA得以修复。此外，该酶还可低效修复06-乙基鸟嘌呤、06-丁基鸟嘌呤及04-甲基腺嘌呤等其他烷化损伤。由于MGMT属自杀性酶类，而人体细胞中又缺乏其他修复06-mG等烷化损伤的替代机制，故MGMT在该种损伤的修复上扮演着举足轻重的角色［1］。动物实验表明，MGMT基因缺失小鼠对甲基亚硝基脲的致癌作用特别敏感，而高水平的MGMT活性可以防止该烷化剂诱导的肿瘤形成［6，7］。大约20%的人类肿瘤细胞系MGMT活性降低，并对烷化剂高度敏感。虽然其突变与人类肿瘤直接相关的证据尚不足，但有研究发现，MGMT活性降低是脑肿瘤的易感因子［8］，在食管癌中该基因有较高的突变频率（7/40）及缺失（2/30）［9］。此外，在人成纤维细胞永生化过程中观察到MGMT的表达受抑，这可能与该基因启动子GpG岛的甲基化有关［10］。关于MGMT基因突变、表达降低及细胞永生化形成之间的因果关系目前尚不清楚。除烷化剂外，该酶还可受离子辐射、紫外线、地塞米松甚至野生型p53蛋白的诱导，提示该酶除了负责烷化损伤的修复外，还可能具有某种未知的修复功能［1］。
2.1.2 MMR基因 DNA复制过程中出现错参及异源双链和某些二级结构（如不规则回文序列）的形成，可发生碱基错配。此外，DNA分子自发性损伤中5-mC脱氨反应也可引起G∶T错配。无论由何种原因造成，DNA双链分子的碱基错配都是导致突变的主要DNA损伤类型之一。从大肠杆菌、酵母到人体细胞都存在着一个高度保守、特异性修复DNA碱基错配的酶体系，称作MMR系统。迄今已在人体细胞中分离出hMSH2、hMSH3、hMSH6、Duc-1、hPMS1、hPMS2、hMLH1等7种人MMR基因，它们在识别和修复DNA复制过程中出现的错配碱基，维持细胞DNA中微卫星乃至整个基因组的稳定性方面发挥重要作用［1］。大量研究表明［11，12］，微卫星的稳定性依赖于完整的MMR系统，如果该系统功能缺陷或丧失，则可导致微卫星的不稳定性显著增加。已证明微卫星改变与几种人类肿瘤有关，其中以对遗传性非息肉型结肠癌（HNPCC）的研究最受关注。业已证明，hMLH1、hMSH2、hMSH6、hPMS1和hPMS2基因异常与HNPCC发病有关［1，11，12］。上述基因中的任何一种发生突变（缺失、插入、点突变等）均有可能造成MMR系统功能缺陷，导致基因组不稳定性增加及细胞的恶性转化。而且，一个MMR（如hMSH3）基因突变可增加其他MMR基因的突变频率,导致更为严重的微卫星不稳定状态。在某些肿瘤中,MMR系统功能缺陷还可能与MMR基因的调节基因变异有关。有研究发现，在hMSH2基因启动子区域含有一个p53蛋白的识别位点。提示该基因可能是p53的靶基因之一，其功能可能在某种程度上受到p53的调节［13］。如果p53基因发生变异，则该MMR基因的正常功能也可能受到影响。除了HNPCC，在具有微卫星不稳定性的散发性结肠癌及神经胶质瘤中也发现有MMR基因突变［1］。尽管如此，许多研究提示MMR基因突变本身可能不足以导致细胞转化，而由基因组的不稳定性所引发的某些重要功能基因的突变可能是其主要原因，加之MMR系统功能缺陷可加速这些突变的积累，结果均会影响到细胞的增殖调控。研究表明，在HNPCC中出现的多种体细胞突变中，TGFβⅡ受体基因的移码突变发生率较高［14］。将正常TGFβⅡ受体cDNA导入这些结肠癌细胞株，可明显降低其在裸鼠体内的致瘤性，表明TGFβⅡ受体因基因突变导致功能丧失至少是该肿瘤形成的一个重要因素。此外，APC基因和p53基因的单个碱基缺失及G∶C→A∶T转换也较为常见［15］。除了参与DNA分子自发性损伤的修复外，MMR基因还可能与外源性致癌因子（如烷化剂、UV）所致DNA损伤的修复有关。有研究显示，hMLH1和hMSH2缺陷的人体细胞同时存在UV诱导的转录偶联修复（TCR）缺陷，而hMSH2缺陷同时还伴有DNA氧化损伤的TCR能力降低［1，12］。
2.1.3 NER基因 NER系统是修复外源性因素所致损伤的一个重要DNA修复系统，它不仅能修复碱基的甲基化或氧化等小的损伤，还可对较大的加合物或双链断裂予以修复，故对维持整个基因组的完整性、保障基因的正常表达是必不可少的［1］。NER缺陷可引起几种严重的人类遗传性疾病，其中包括着色性干皮病（XP）、共济失调性毛细血管扩张症（AT）、Fanconi贫血和Bloom综合征等。这些NER缺陷患者对环境理化致癌因素高度敏感，易患各种恶性疾病，其NER缺陷导致DNA损伤和突变积累是致癌的重要原因。另外，NER基因缺陷可使p53介导的损伤修复机制丧失。例如，AT基因缺陷时，AT蛋白向p53传递信息的功能破坏［16］，使野生型p53对gadd45等修复基因的诱导作用丧失。近年研究发现，NER基因是一组多功能基因，除参与损伤修复外，还可能参与细胞周期和细胞凋亡的调控［17，18］。
2.2 损伤DNA的慢修复 基因组中DNA损伤的修复是不均一的，不同DNA序列其修复的速度和程度不同。如果受损DNA未被正常修复即进行复制，则容易造成永久性突变。考虑到DNA修复与复制在时间上的相应关系对永久性DNA突变形成的重要意义，对特定遗传位点DNA损伤修复的时间选择和速度可能明显影响该位点发生突变的可能性。由此推论，那些延迟关键基因修复起始、降低区域特异性DNA修复速度的因素可能会加速基因组不稳定性的进展及转化相关基因突变的积累。研究表明［2］，基因特异性修复与基因的转录活性有关，那些转录活性高的基因可能比转录活性低的基因优先修复。基因特异性DNA修复可由转录活化因子调节，也可被转录抑制因子所阻断。由于转录活性与染色质中DNA的组装高度相关，故DNA修复缺陷很可能依赖于受累基因的序列和结构。已知p53基因在细胞周期调控、细胞增殖调控及与细胞周期相关的DNA修复方面发挥关键作用，故该基因突变失活或功能突变可使细胞过程的完整性受损，特别是导致细胞的恶性转化［4］。证据表明，p53基因内DNA修复的速度呈序列依赖性高度变化［19］。在UV诱导的皮肤癌p53的8个突变热点中，有7个（第177、196、245、248、273、286和294密码子）均存在慢修复，基本上囊括了其在人类肿瘤中的主要突变热点。这提示，p53上述突变热点DNA修复的速度较慢可能是其对突变高度易感的重要原因之一。进一步研究显示，导致这些突变热点修复速度低的原因可能与该些区域GC含量高有关。这种区域性碱基组成使基因形成一种较为紧密的高级结构，而使修复系统难以进入损伤部位［19］。p53基因的慢修复增加了正常复制过程形成永久性突变的可能性，并最终通过突变型p53蛋白的表达而改变细胞表型。另外，由于正常DNA修复过程失去了p53的功能，该细胞表型多伴随着基因组不稳定性的增加［20］。同样，慢修复也可能对其他导致基因组不稳定性和恶性转化的基因产生影响。
3 重要相关基因复制与细胞转化
基因组内各基因的复制是在严密调控下按细胞种类特异性的时间顺序依次进行的，特定基因复制起始的时间与该基因的转录活性及其转录对细胞分化状态的影响程度有关。研究表明，染色体中早期复制区域CpG岛的含量明显高于晚期复制区域，故对自发性DNA损伤可能较为敏感［21］。另外，由于缺乏足够的时间用于损伤修复，在S早期复制的基因可能更易发生永久性突变。现已证明，在哺乳类动物细胞中检出的大部分原癌基因及Rb和p53等抑癌基因均在S早期复制［2］。如果这些基因在G1晚期或S早期受到损伤或发生突变，则很有可能在其修复之前而被复制，形成永久性突变。由于原癌基因和抑癌基因对正常细胞增殖过程起到关键性的正负调控作用，而细胞增殖又与恶性转化有着密不可分的联系，故其突变以及随后的功能异常在受累细胞基因组不稳定性和细胞转化的形成过程中发挥十分重要的作用。
4 结语
如前所述，DNA损伤、修复、转录、细胞周期进展及细胞凋亡等基本细胞过程之间并非独立分割的事件，它们之间的相互联系和相互作用在维持细胞正常生长状态中发挥着重要作用。许多涉及上述过程的基因都具有多功能性，对其中一些基因的功能尚知之甚少，它们之间在表达调控及功能上的内在联系及其与细胞转化的关系可能十分复杂。因此，用全方位、多层次、立体化的研究思路和方法探讨细胞转化的发生机制将有可能成为未来该领域的主要方向之一。
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（编辑：陈 沁）
作者单位： 100081 北京，中国气象局医院