DNA損傷、修復(fù)與帕金森病

1、    DNA損傷、修復(fù)與帕金森病        中分類號：R742.5文章編號：1003-2754(2000)04-0255-02DNA修復(fù)系統(tǒng)對保持神經(jīng)系統(tǒng)功能的完整性有重要作用。DNA修復(fù)機(jī)制是由相互作用的基因產(chǎn)物所催化的復(fù)雜的酶組成。一個(gè)或多個(gè)酶或輔助蛋白的改變、缺失或減少都能阻礙修復(fù)過程。目前已有在靜止細(xì)胞和非復(fù)制細(xì)胞中涉及DNA復(fù)制和修復(fù)的酶含量不足的證據(jù)。有些分裂后的腦細(xì)胞的基因組不再復(fù)制，并且多種DNA修復(fù)酶的水平降低，這會阻礙DNA的修復(fù)能力并使神經(jīng)系統(tǒng)的D

2、NA損傷積累。某些人類疾病已清楚地顯示出DNA修復(fù)缺陷的特征，如毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)，著色性干皮病和庫克綜合征等。另外，一些原發(fā)性神經(jīng)變性病如脊髓側(cè)索硬化、阿爾茨海默病、帕金森病也表現(xiàn)出修復(fù)系統(tǒng)改變。DNA修復(fù)系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致DNA損傷的積累，最終導(dǎo)致神經(jīng)變性。1DNA損傷和修復(fù)雖然DNA復(fù)制過程的高度準(zhǔn)確性，但生物體內(nèi)和環(huán)境的因素經(jīng)常會使DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其中DNA復(fù)制發(fā)生堿基配對的錯(cuò)誤頻率為10-10-10-12。體內(nèi)的DNA有自發(fā)性結(jié)構(gòu)改變，包括堿基的異構(gòu)互變、堿基脫氨基作用、脫嘌呤與脫嘧啶、堿基修飾與鏈斷裂等，物理因素可引起DNA的損傷，其中紫外線可引起嘧啶二聚體形成、DNA鏈斷裂等

3、。電離輻射可引起DNA的堿基變化、脫氧核糖分解、DNA鏈斷裂以及各種交聯(lián)?；瘜W(xué)因素也可引起DNA的損傷，其中如氮芥、硫芥、環(huán)磷酰胺、絲裂霉素、二乙基亞硝胺等烷化劑可引起堿基烷基化、堿基脫落、斷裂、交聯(lián)等損傷。5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶、2-氨基腺嘌呤等堿基類似物進(jìn)入細(xì)胞能替代正常的堿基摻入到DNA鏈中而干擾DNA合成。亞硝酸鹽、羥胺、黃曲霉素等致癌劑能專一修飾DNA鏈上的堿基或通過影響DNA復(fù)制而改變堿基序列。各種損傷最后導(dǎo)致DNA的點(diǎn)突變、DNA核苷酸的缺失、插入或轉(zhuǎn)位、DNA鏈的斷裂等。如果損傷未修復(fù)，DNA遺傳密碼的翻譯和轉(zhuǎn)錄將出現(xiàn)異常。DNA修復(fù)是細(xì)胞對DNA受損傷后的一種反應(yīng)，能夠清

4、除缺損，恢復(fù)正常的核苷酸順序。目前為止，哺乳動物的DNA修復(fù)機(jī)制可大概分4種，主要包括以單個(gè)酶直接清除DNA損傷而恢復(fù)DNA正常狀態(tài)為特征的回復(fù)修復(fù)；切除修復(fù)是以完整的互補(bǔ)鏈為模板，是嘧啶二聚體、堿基烷基化、單鏈斷裂等多種DNA損傷最普遍的修復(fù)方式；有些情況如DNA復(fù)制時(shí)發(fā)生DNA損傷，此時(shí)DNA兩條鏈已分開，則采用重組修復(fù)；DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，細(xì)胞處于危急狀態(tài)或DNA的兩條鏈損傷臨近時(shí)，損傷不能被切除修復(fù)或重組修復(fù)，則誘導(dǎo)SOS修復(fù)。SOS修復(fù)隨機(jī)補(bǔ)充核苷酸，保持了DNA雙鏈的完整性，但給細(xì)胞帶來很高的突變率。不同的DNA損傷和不同的基因區(qū)顯示DNA修復(fù)水平各異。這提示整個(gè)基因組修復(fù)水平不

5、一致。紫外線誘導(dǎo)的環(huán)丁二聚體至少有三個(gè)水平的修復(fù)率：激活基因的慢修復(fù)、激活看家基因的快修復(fù)、激活基因轉(zhuǎn)錄鏈的加速修復(fù)1。因此，DNA表達(dá)較弱的區(qū)域DNA修復(fù)較慢，結(jié)果導(dǎo)致DNA損傷的積累。在DNA修復(fù)缺陷病中，尤其是神經(jīng)變性病中，激活基因和非激活基因DNA修復(fù)能力的不同是它們臨床表達(dá)的關(guān)鍵因素。2腦內(nèi)DNA修復(fù)酶除了直接清除DNA損傷外，DNA修復(fù)過程往往需要許多酶的參與。這些酶由一系列相互作用的蛋白組成，由一大家族基因所編碼。其中一部分基因已被克隆，如尿嘧啶糖基化酶、DNA連接酶。ERCC-1、ERCC-2、ERCC-3、ERCC-5、ERCC-6也可能是控制DNA修復(fù)途徑的基因，其中一些基

6、因與DNA修復(fù)缺陷病如著色干皮病、庫克綜合征等的病理生理有關(guān)。有證據(jù)表明有絲分裂后細(xì)胞比增生細(xì)胞的DNA修復(fù)酶水平低，DNA損傷的修復(fù)也較慢，這與DNA復(fù)制、DNA修復(fù)活性的誘導(dǎo)及細(xì)胞的最終分化狀態(tài)有關(guān)。有絲分裂細(xì)胞減少或關(guān)閉了DNA復(fù)制中的一些酶和蛋白的活性水平。并且半保留復(fù)制中的一些酶也與DNA修復(fù)有關(guān)，如DNA聚合酶、和、尿嘧啶DNA糖基化酶等。Korr和Schultz通過鼠腦不同類型的細(xì)胞的DNA修復(fù)活性的研究得出腦內(nèi)DNA修復(fù)活性較低的證據(jù)，如O6-烷基化鳥嘌呤缺損、離子射線、紫外線的DNA損傷在神經(jīng)細(xì)胞比其它類型培養(yǎng)細(xì)胞的修復(fù)慢。DNA聚合酶在選擇互補(bǔ)堿基時(shí)有錯(cuò)誤傾向，并且錯(cuò)誤頻率

7、不隨年齡變化，它在修復(fù)合成中的低準(zhǔn)確性可能導(dǎo)致神經(jīng)DNA錯(cuò)誤的積累。雖然大多數(shù)DNA修復(fù)酶在腦組織中出現(xiàn)，但活性較低(可能缺少DNA復(fù)制來加強(qiáng)DNA修復(fù))，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞DNA損傷積累，一旦致死性損傷發(fā)生，DNA修復(fù)機(jī)制所起作用微弱，損傷不能修補(bǔ)。DNA損傷和修復(fù)降低可能在神經(jīng)變性病的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。3DNA修復(fù)缺陷與神經(jīng)變性病著色性干皮病(Xerderma pigmentosum,XP)是常染色體隱性遺傳病。患者皮膚對紫外線高度敏感，受紫外線照射后皮膚癌的發(fā)生率增加1000倍，其它組織的腫瘤發(fā)生也增加。一些患者表現(xiàn)為漸進(jìn)的神經(jīng)變性。XP是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)DNA修復(fù)缺陷的神經(jīng)變性病2。研究認(rèn)為

8、紫外線對XP患者DNA損傷積累，以及XP患者的生化缺陷，導(dǎo)致缺損不能被修復(fù)，阻礙了轉(zhuǎn)錄以及必需蛋白的合成，最終導(dǎo)致XP患者的神經(jīng)細(xì)胞變性和早熟性死亡。毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)(Ataxia-telangiectasia,AT)是常染色體隱性遺傳病，累及許多器官和組織，尤其是神經(jīng)、免疫系統(tǒng)和皮膚。研究證實(shí)，AT患者的細(xì)胞株顯示遺傳不穩(wěn)定性，如對自發(fā)性損傷增多，對X線、離子射線造成的DNA損傷修復(fù)下降。Down syndrome(DS)是21三體綜合征，臨床表現(xiàn)早熟性老化。Bernstein認(rèn)為DS的發(fā)病機(jī)制與DNA修復(fù)缺陷有關(guān)3。DS病人的淋巴細(xì)胞經(jīng)X-線照射后染色體疇變比正常三體多，單鏈斷裂的修

9、復(fù)效率比正常個(gè)體低，并且認(rèn)為DNA修復(fù)效率降低與DS患者白血病的發(fā)生有關(guān)3。阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)以早老及早老性癡呆為特征。實(shí)驗(yàn)表明X-線、紫外線、烷化劑誘導(dǎo)的損傷的修復(fù)效率比正常對照低4，并認(rèn)為AD患者存在DNA修復(fù)缺陷導(dǎo)致異常DNA積累，最終阻礙轉(zhuǎn)錄和蛋白合成。4DNA損傷、修復(fù)與帕金森病帕金森病(Parkinson disease,PD)是以震顫、強(qiáng)直、運(yùn)動減少三大主癥為臨床表現(xiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)變性病。病理改變主要是黑質(zhì)神經(jīng)元變性。目前PD的病因和發(fā)病機(jī)制不清。有人將PD患者的淋巴細(xì)胞X線、紫外線、博來霉素等處理后表現(xiàn)出DNA修復(fù)缺陷，自發(fā)產(chǎn)生的DNA損傷

10、的異常堆積、細(xì)胞早熟性死亡5。近來，已將常染色體顯性遺傳PD的基因定位在4q21-236,又發(fā)現(xiàn)此區(qū)-synuclein基因突變導(dǎo)致PD的表現(xiàn)型7。常染色體隱性遺傳PD的基因定位于6q25.2-278，在此候選區(qū)發(fā)現(xiàn)Parkin基因突變9，并相繼在此區(qū)發(fā)現(xiàn)6種基因缺失。目前Parkin基因區(qū)缺失突變的高突變率原因不明，或許與DNA損傷、修復(fù)有密切關(guān)系。PD患者的基因損傷與修復(fù)研究對其發(fā)病機(jī)制的探討顯示出重要意義。MPTP動物模型的成功以及家族性PD的-synuclein 基因突變的發(fā)現(xiàn)，使大多數(shù)研究者認(rèn)為PD是遺傳和環(huán)境共同作用的結(jié)果。與此相反，MPTP抑制線粒體復(fù)合物活性的發(fā)現(xiàn)，使人們開始對

11、線粒體功能紊亂的PD的單因致病論越來越重視。目前已證實(shí)PD黑質(zhì)的線粒體呼吸鏈復(fù)合物活性下降，并認(rèn)為是導(dǎo)致線粒體功能紊亂的主要原因。另外，氧化壓力是老化的主要損傷因素，PD黑質(zhì)神經(jīng)元的氧化損傷也有很多報(bào)導(dǎo)。目前線粒體呼吸鏈紊亂和氧化壓力已被認(rèn)為是PD黑質(zhì)神經(jīng)元死亡的主要原因，線粒體是細(xì)胞內(nèi)耗氧生成能量的主要細(xì)胞器，吸取的氧90%在線粒體被利用，因此線粒體比核DNA更易于暴露于氧化壓力。用限制性片段長度多態(tài)分析證實(shí)mtDNA的突變率比核DNA的突變率高16倍。線粒體NDA缺少組蛋白的保護(hù)，修復(fù)系統(tǒng)又較弱，mtDNA復(fù)制的多聚酶的高度錯(cuò)誤率等導(dǎo)致mtDNA突變率高，修復(fù)水平低。目前線粒體已成為研究P

12、D發(fā)病機(jī)制的熱點(diǎn)。這來研究發(fā)現(xiàn)二個(gè)PD患者mtDNA的多種缺失和八個(gè)突變，導(dǎo)致氨基酸替代10，并在PD死者腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)134種不同形式的mtDNA缺失。這些缺失或突變?nèi)绮槐恍迯?fù)而積累可能導(dǎo)致PD黑質(zhì)神經(jīng)元死亡。許多研究者已找到PD編碼復(fù)合物亞單位和自由基代謝酶的基因突變。Swerdlow用不含線粒體DNA的神經(jīng)纖維瘤細(xì)胞與PD患者的血小板融合(僅含患者的mtDNA)，結(jié)果出現(xiàn)明顯的復(fù)合物受損，從而認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)中復(fù)合物的產(chǎn)生與mtDNA有關(guān)，且此過程中不被正常核DNA所糾正11。為了進(jìn)一步回答mtDNA突變在PD中是原發(fā)還是繼發(fā)問題，又進(jìn)一步用15個(gè)母系下傳和7個(gè)父系下傳的PD家族患者的血小板做雜交試

13、驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)母系下傳的PD患者的mtDNA的雜交株有較低的復(fù)合物活性等，從而認(rèn)為某些PD患者的mtDNA突變是原發(fā)事件12。但目前mtDNA突變的確切機(jī)制不明，更進(jìn)一步的研究仍很必要，線粒體內(nèi)氧化壓力可能是促進(jìn)因素，年齡相關(guān)的氧化損傷加強(qiáng)了線粒體損傷的危險(xiǎn)。作者單位：商秀麗（中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一臨床學(xué)院神經(jīng)內(nèi)科，遼寧 沈陽 110001）張朝東（中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一臨床學(xué)院神經(jīng)內(nèi)科，遼寧 沈陽 110001）參考文獻(xiàn)：1Mullenders LHF,Vrieling H,Venema J,et al. Hierarchies of DNA repair in mammalian cells:bio

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