孩人学 Fudan Universit 碱基修复技术 欧阳雨婷16300200034 For the grates The Royal Swedish Academy of sciences has decided to award the 2015 NOBEL PRIZE IN CHEMISTRY Tomas Lindahl Paul modrich and Aziz Sancai for mechanistic studies of DN repair e Nobelprize. org 引言:2015年,诺贝尔化学奖颁发给了在DNA修复机制研究上作出卓越贡献的三位科学家, 足以证明DNA修复技术的重要性。其中,林达尔的碱基修复技术为我们提供了一条DNA修复 的重要途径。DNA是人类重要的遗传物质,维护DNA分子的完整性对细胞发挥正常功能至关 重要。研究DNA修复机制,有助于直接或间接地延缓衰老
1 碱基修复技术 欧阳雨婷 16300200034 引言：2015 年，诺贝尔化学奖颁发给了在 DNA 修复机制研究上作出卓越贡献的三位科学家， 足以证明 DNA 修复技术的重要性。其中，林达尔的碱基修复技术为我们提供了一条 DNA 修复 的重要途径。DNA 是人类重要的遗传物质，维护 DNA 分子的完整性对细胞发挥正常功能至关 重要。研究 DNA 修复机制，有助于直接或间接地延缓衰老
技术原理: DNA含有四种碱基,A、G、C、T,其中C很容易丢失一个氨基,这可能 导致遗传信息改变。在DNA的双螺旋中,C总是与G配对,但当氨基丢 失后,受损的碱基往往与A配对。因此,如果允许这个缺陷继续存在, 下一次DNA复制时就会发生一次突变 1974年林达尔发现了U-DNA糖基化酶,该酶可将U切除,随后还有第二种 酶将剩余的戊糖和碱基切除,最后在DNA聚合酶催化下根据模板G的信息重新修 复为C。这是人类鉴定的第一种DNA修复系统,称为碱基切除修复。 碱基切除修复的途径是内源性DNA损伤的主要细胞防线。使用提纯蛋白,林 达尔重构了碱基切除修复的两种变体:短补丁/长补丁。他发现了几种未曾为人 所知的DNA修复酶作用模型,包括: (i)一种能催化碱基-糖键分裂的DNA糖基化酶(尿嘧啶-一NA糖基化酶)、3-甲基腺嘌 呤DNA糖基化酶和释放氧化碱基残基的DNA糖基化酶。 (i)在无碱基的糖-磷酸残基上剪裁DNA双链的AP核酸内切酶(和沃尔特教授同时独立 研究)。 (ii)06-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(MGMT,一种Ada蛋白:它能以不可逆的方式, 从烷基化的DNA上,把一个促突变甲基基团,移到酶自己身上的一个特殊的半胱氨酸残基上)。 (iv)DNA双加氧酶:(AIkB蛋白和它的同系物):它能从烷基化的碱基残基上移走某些 有细胞毒性的甲基基团,办法是在铁和氧代戊二酸的存在下完成氧化脱甲基化的反应(和芭 芭拉博士、俄林教授一起研究) 这种DNA修复机理也推动人们发现了几组新的酶一一FT0和 ALKBH5,它们可 以对一种全新的表观遗传标记RNAm6A进行去甲基化。 林达尔与让·卡戴特教授合作发现了一种复杂、并且化学性质稳定的DNA氧化 损伤——环式嘌呤脱氧核糖核苷酸。与其他DNA氧化损伤不同,它的修复仅能由 核苷酸切除修复完成。 此外,林达尔与博士后研究员瑞克·伍德博士合作建立起了不用人体细胞的依 赖ATP的核苷酸切除修复系统。这个分析系统通过体外互补实验实现,它使纯化 XPA(这一蛋白质在有修复缺陷的着色性干皮细胞中是缺失的)等蛋白质成为可 作者: Tomas lindahl编译来源: Lindahl, Tomas." My journey to DNA repair. "Genomics, proteomics bioinformatics 11.1(2013): 2-7 文章来源:果壳网
2 技术原理： DNA 含有四种碱基，A、G、C、T，其中 C 很容易丢失一个氨基，这可能 导致遗传信息改变。在 DNA 的双螺旋中，C 总是与 G 配对，但当氨基丢 失后，受损的碱基往往与 A 配对。因此，如果允许这个缺陷继续存在， 下一次 DNA 复制时就会发生一次突变。 1974 年林达尔发现了 U-DNA 糖基化酶，该酶可将 U 切除，随后还有第二种 酶将剩余的戊糖和碱基切除，最后在 DNA 聚合酶催化下根据模板 G 的信息重新修 复为 C。这是人类鉴定的第一种 DNA 修复系统，称为碱基切除修复。 碱基切除修复的途径是内源性 DNA 损伤的主要细胞防线。使用提纯蛋白，林 达尔重构了碱基切除修复的两种变体：短补丁/长补丁。他发现了几种未曾为人 所知的 DNA 修复酶作用模型，包括： （i）一种能催化碱基-糖键分裂的 DNA 糖基化酶（尿嘧啶-DNA 糖基化酶）、3-甲基腺嘌 呤 DNA 糖基化酶和释放氧化碱基残基的 DNA 糖基化酶。 （ii）在无碱基的糖-磷酸残基上剪裁 DNA 双链的 AP 核酸内切酶（和沃尔特教授同时独立 研究）。 （iii）O6-甲基鸟嘌呤 - DNA 甲基转移酶（MGMT，一种 Ada 蛋白：它能以不可逆的方式， 从烷基化的 DNA 上，把一个促突变甲基基团，移到酶自己身上的一个特殊的半胱氨酸残基上）。 （iv）DNA 双加氧酶：（AlkB 蛋白和它的同系物）：它能从烷基化的碱基残基上移走某些 有细胞毒性的甲基基团，办法是在铁和氧代戊二酸的存在下完成氧化脱甲基化的反应（和芭 芭拉博士、俄林教授一起研究）。 这种 DNA 修复机理也推动人们发现了几组新的酶——FTO 和 ALKBH5，它们可 以对一种全新的表观遗传标记 RNA m6A 进行去甲基化。 林达尔与让•卡戴特教授合作发现了一种复杂、并且化学性质稳定的 DNA 氧化 损伤——环式嘌呤脱氧核糖核苷酸。与其他 DNA 氧化损伤不同，它的修复仅能由 核苷酸切除修复完成。 此外，林达尔与博士后研究员瑞克•伍德博士合作建立起了不用人体细胞的依 赖 ATP 的核苷酸切除修复系统。这个分析系统通过体外互补实验实现，它使纯化 XPA（这一蛋白质在有修复缺陷的着色性干皮细胞中是缺失的）等蛋白质成为可 能。 作者：Tomas Lindahl 编 译 来 源 ： Lindahl, Tomas. "My journey to DNA repair." Genomics, proteomics & bioinformatics 11.1 (2013): 2-7. 文章来源：果壳网
DNA snthesis MMmMminmztmm E N人了 DNA修复的相关酶促反应机制模型。图片来源: Tomas lindahl. enomics, Proteomics Bioinformatics, Volume 11, Issue 1 February 2013, Pages 2-7
3 DNA 修复的相关酶促反应机制模型。图片来源：Tomas Lindahl. Genomics, Proteomics & Bioinformatics, Volume 11, Issue 1, February 2013, Pages 2–7
技术应用: 研发抗老化护肤品: 日本佳丽宝公司日前宣布,该公司研究人员开发出一种促进修复由活性氧导致的DNA 损伤的技术,应用该技术,有望研发出更为高效的抗老化护肤产品 DNA损伤是造成皮肤老化的重要原因,它主要由两个因素导致:一个是紫外线照射,另一个 就是活性氧,后者可以使DNA的碱基被氧化。因此促进修复由活性氧导致的DNA损伤对于抵 抗皮肤老化具有重要意义 般由活性氧导致的DNA损伤可由人体内的碱基切除修复机制自行修复,但需要多种蛋 白质协同作业。 佳丽宝公司研究人员利用自主开发的测评系统,对100多种天然物质进行测评后发现 应用多酚的一种一一白皮杉醇可促进修复由活性氧导致的DNA损伤。 研制抗肿瘤药物: 多种化疗药物抗肿瘤的主要机制是引起DNA损伤,进而导致肿瘤细胞凋亡;因 此,DNA修复功能状态与抗肿瘤药物疗效有着直接的关系。目前,已知有4种主要的DNA 修复途径,其中,碱基修复技术是主要的DNA修复机制之一,其修复功能异常与抗肿瘤药 物耐药有着密切的联系。近年来,以碱基修复技术为靶点开发了多种逆转耐药的药物或 方法
4 技术应用： 研发抗老化护肤品： 日本佳丽宝公司日前宣布，该公司研究人员开发出一种促进修复由活性氧导致的 DNA 损伤的技术，应用该技术，有望研发出更为高效的抗老化护肤产品。 DNA 损伤是造成皮肤老化的重要原因，它主要由两个因素导致：一个是紫外线照射，另一个 就是活性氧，后者可以使 DNA 的碱基被氧化。因此促进修复由活性氧导致的 DNA 损伤对于抵 抗皮肤老化具有重要意义。 一般由活性氧导致的 DNA 损伤可由人体内的碱基切除修复机制自行修复，但需要多种蛋 白质协同作业。 佳丽宝公司研究人员利用自主开发的测评系统，对 100 多种天然物质进行测评后发现， 应用多酚的一种——白皮杉醇可促进修复由活性氧导致的 DNA 损伤。 研制抗肿瘤药物： 多种化疗药物抗肿瘤的主要机制是引起 DNA 损伤,进而导致肿瘤细胞凋亡;因 此,DNA 修复功能状态与抗肿瘤药物疗效有着直接的关系。目前,已知有 4 种主要的 DNA 修复途径，其中,碱基修复技术是主要的 DNA 修复机制之一,其修复功能异常与抗肿瘤药 物耐药有着密切的联系。近年来,以碱基修复技术为靶点开发了多种逆转耐药的药物或 方法
技术优缺点 优点:延缓衰老,治疗癌症,降低遗传率发病率 “修复”机制确保了维持生命存在的遗传物质DNA的稳定性,这一机制是维持 生命体健康的根本。可以说,托马斯首先发现了DNA损伤的现象以及修复的机制, 都是生命最本质的科学问题。 研究陆续发现,生命体的衰老、癌症和许多重大疾病都和基因组不稳定有关。 深入研究DNA的损伤和修复机理对了解相关疾病的起源、降低某些遗传病的发 病率、降低DNA的损伤率和突变率至关重要。北京大学生命科学学院教授孔道春也 表示,在应用方面,DNA修复还将有助于基因检查,可能突破对癌症的早期诊断和 预防的难题。 缺点:作为新技术,尚处于研究阶段 目前,碱基修复技术尚处于研究阶段,相距实际应用,还需要一段不短的时
5 技术优缺点： 优点： 延缓衰老，治疗癌症，降低遗传率发病率 “修复”机制确保了维持生命存在的遗传物质 DNA 的稳定性，这一机制是维持 生命体健康的根本。可以说，托马斯首先发现了 DNA 损伤的现象以及修复的机制， 都是生命最本质的科学问题。 研究陆续发现，生命体的衰老、癌症和许多重大疾病都和基因组不稳定有关。 深入研究 DNA 的损伤和修复机理对了解相关疾病的起源、降低某些遗传病的发 病率、降低 DNA 的损伤率和突变率至关重要。北京大学生命科学学院教授孔道春也 表示，在应用方面，DNA 修复还将有助于基因检查，可能突破对癌症的早期诊断和 预防的难题。 缺点：作为新技术，尚处于研究阶段 目前，碱基修复技术尚处于研究阶段，相距实际应用，还需要一段不短的时 间