DNA损伤响应信号通路与蛋白质翻译后修饰

DNA损伤响应涉及到损伤的感应、信号的传递、DNA修复等一系列通路和过程。在这些过程中,有大量蛋白质以其不同的修饰状态参与其中。有些蛋白质的修饰参与信号的识别和传递;有些修饰改变酶的活性;而有些修饰则参与调节,有大量的研究者对参与DNA损伤相关蛋白的功能及修饰进行了研究。它们在DNA损伤响应分别发挥着不同的功能,其协同作用使细胞得以从细胞周期关卡中恢复,进入正常周期。有大量研究者对参与DNA损伤相关蛋白的功能及其修饰进行了研究。在本综述中我们将从DDR所涉及的信号通路角度,主要对DDR及DNA损伤修复途径中所涉及到的蛋白质及其修饰进行总结。     

DNA损伤检验点与损伤修复及基因组稳定性

生物有机体基因组DNA经常会受到内源或外源因素的影响而导致结构发生变化,产生损伤;在长期进化过程中,有机体也相应形成了一系列应对与修复损伤DNA,并维持染色体基因组正常结构功能的机制。其中DNA损伤检验点（DNA damage checkpoint）就是在感应DNA损伤的基础上,对损伤感应信号进行转导,或引起细胞周期的暂停,从而使细胞有足够的时间对损伤DNA进行修复,或最终导致细胞发生凋亡。DNA损伤检验点信号转导途径是一个高度保守的信号感应过程,整个途径大致可以分为损伤感应、信号传递及信号效应3个组成部分。其中3-磷脂酰肌醇激酶家族类成员ATM（ataxia-telangiectasia mutated）和ATR（ataxia-telangiectasia and Rad3-related）活性的增加构成整个途径活化的第一步。它们通过激活下游的效应激酶,Chk2／Chk1,通过协同作用许多其他调控细胞周期、DNA复制、DNA损伤修复及细胞凋亡等过程的蛋白质因子来实现细胞对DNA损伤的高度协调反应。近十几年,随着此领域研究的不断深入,人们逐步揭示了DNA损伤检验点途径发生过程中,各种核心组分通过与不同调节因子、效应因子及DNA损伤修复蛋白间的复杂相互作用,以实现监测感应异常DNA结构并实施相应反应的机制;其中,检验点衔接因子（mediators）及染色质结构,尤其是核小体组蛋白的共价修饰在调控ATM／ATR活性,促进ATM／ATR与底物间的相互作用以及介导DNA损伤位点周围染色质区域上多蛋白复合物在时间与空间上的动态形成发挥着重要的作用。同时,人们也开始发现DNA损伤检验点途径与DNA损伤修复、基因组稳定性以及肿瘤发生等过程之间某些内在的联系。该反应途径在通过协调细胞针对DNA损伤做出各种反应的基础上,直接或间接地参与或调控DNA损伤修复过程,并与DNA损伤修复途径协同作用最终保证染色体基凶组结构的完整性,而检验点途径的改变,则会引起基因组不稳定的发生,包括从突变频率的提高到大范围的染色体重排,以及染色体数量的畸变。如：突变发生在肿瘤形成早期,会大大增加肿瘤发生的几率。文章将对DNA损伤检验点途径机制及其对DNA损伤修复、基因组稳定性影响的最新进展进行综述。     

拟南芥多聚ADP核糖聚合酶Ⅰ的原核表达与活性检测

采用RT-PCR技术获得了拟南芥多聚ADP核糖聚合酶[poly(ADP-ribose)polymerase,PARP]PARP1基因的全长cDNA,转入原核表达载体pET32a并转化宿主菌Origami(DE3),加入终浓度为0.3mmol/L IPTG,在16℃下诱导可获得较多的可溶重组蛋白。纯化TRX-PARP1,在反应液中加入NAD+和断裂DNA,通过SDS-PAGE凝胶电泳和Western blotting分析,TRX-PARP1分子量可随着时间的延长逐渐增大,产生向上的弥散,表明蛋白质连上了ADP核糖分子;与此对比,作为参照的标签蛋白TRX无此现象。实验结果显示原核表达拟南芥PARP1能够催化自身多聚ADP核糖化修饰,为深入研究植物多聚ADP核糖聚合酶的功能奠定了基础。     

组蛋白泛素化修饰及其在DNA损伤应答中的作用

泛素化修饰是真核生物细胞内重要的翻译后修饰类型,通过调节蛋白质活性、稳定性和亚细胞定位广泛参与细胞内各项信号传导与代谢过程,对维持正常生命活动具有重要意义。组蛋白作为染色质中主要的蛋白成分,与DNA复制转录、修复等行为密切相关,是研究翻译后修饰的热点。DNA损伤后,组蛋白泛素化修饰通过调节核小体结构、激活细胞周期检查点、影响修复因子的招募与装配等诸多途径参与损伤应答。同时,组蛋白泛素化修饰还能调节其他位点翻译后修饰,并通过这种串扰(crosstalk)作用调节DNA损伤应答。本文介绍了组蛋白泛素化修饰的主要位点和相关组分(包括E3连接酶、去泛素化酶与效应分子),以及这些修饰作用共同编译形成的信号网络在DNA损伤应答中的作用,最后总结了目前该领域研究所面临的一些问题,以期为科研人员进一步探索组蛋白密码在DNA损伤应答中的作用提供参考。     

蛋白质体外磷酸化方法的建立

蛋白质的磷酸化与去磷酸化调节方式在细胞信号传递过程中占有极其重要的位置. 建立鉴定蛋白质磷酸化的可靠方法具有重要意义. 毛细血管扩张性共济失调症突变蛋白(ataxia-telangiectasia mutated, ATM）是直接感受DNA双链断裂损伤,并起始诸多DNA损伤信号反应通路的主开关分子. 电离辐射（IR）细胞学反应中,ATM激酶可通过磷酸化活化p53蛋白,原核表达p53融合蛋白,免疫沉淀IR活化的野生型ATM蛋白,进行蛋白质的体外磷酸化反应. 实验验证了ATM对p53蛋白的磷酸化作用. 这一方法的建立可为研究细胞信号转导途径中蛋白激酶对底物的磷酸化作用及筛查激酶底物提供标准化的技术手段.     

丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶与DNA损伤应答

DNA损伤应答(DNA damage response,DDR)是维持基因组稳定性的核心机制,对DDR的研究不仅有助于阐明癌症发生发展的机理,同时也为癌症治疗和抗癌新药开发提供生物学基础。蛋白质翻译后修饰,尤其是蛋白激酶介导的磷酸化修饰和蛋白磷酸酶介导的去磷酸化修饰,参与调控绝大多数的生命活动过程,包括DDR。对蛋白激酶ATM/ATR/CHK2/CHK1介导的DDR的研究已经比较透彻,但是对蛋白磷酸酶在DDR中的功能研究还有待加强和深入。比较全面地综述丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶在DDR中的功能并探讨在抗癌新药开发中的前景。     

ATM、ATR和DNA损伤介导的细胞周期阻滞

ATM和ATR属于PIKK家族,是DNA损伤检查点的主要成员。它们被不同类型的DNA损伤所激活,通过磷酸化相应的下游蛋白Chk1和Chk2等,调节细胞周期各个检查点,引起细胞周期阻滞,使DNA损伤得以修复。ATM和ATR在维持基因组的稳定性中起到至关重要的作用。本文着重综述有关ATM和ATR在DNA损伤介导的细胞周期阻滞中发挥的作用以及相互关系的最新研究进展。     

组蛋白翻译后修饰与DNA损伤响应蛋白招募的调控

组蛋白翻译后修饰是细胞DNA损伤早期应答反应的重要内涵,一方面是松弛、开放染色质结构的必要分子调节事件,以便DNA损伤响应蛋白能接近DNA损伤位点;另一方面直接参与DNA损伤修复蛋白招募过程的调控。综述了在DNA损伤信号激发下,发生的组蛋白主要修饰类型,异组蛋白H2AX、H2A.Z在DNA损伤部位与组蛋白置换,及其对DNA损伤响应蛋白招募的调节作用和机制。     

SUMO化修饰与DNA损伤修复

蛋白质的翻译后修饰在很大程度上决定了蛋白质的活性、细胞定位、稳定性及蛋白质之间的相互作用.而在DNA损伤修复过程中,通过调控不同修复蛋白的翻译后修饰来影响他们的活性及细胞定位,进而导致DNA损伤修复途径的不同和修复结果的差异.新近研究表明,蛋白质的SUMO化修饰在DNA损伤修复和基因组稳定性的维护方面发挥重要作用.本文将对SUMO化修饰对DNA损伤修复的调控的最新研究进展做一综述.     

cGMP对细胞功能的调控

cGMP作为胞内第二信使,主要通过cGMP依赖的蛋白激酶(cGPK),cGMP门控的离子通道,cGMP调节的环核苷酸磷酸二酯酶以及ADP核糖环化酶等后续途径,参与许多细胞功能的调控.cGMP既可以通过蛋白磷酸化,也通过与蛋白磷酸化不直接相关的信号传递途径来调控各类细胞的特定生理功能.     

泛素E3连接酶接头蛋白SPOP和MDM2在DNA损伤修复中的作用

DNA损伤修复是维持细胞基因组稳定性和完整性的基础,越来越多的研究发现,E3泛素连接酶在DNA损伤修复中起着重要的作用。该文将介绍DNA损伤修复的机制、DNA损伤修复与疾病的关系、及E3泛素连接酶接头蛋白MDM2和SPOP在DNA损伤修复中的作用。重点围绕DNA损伤修复的两条通路:E3泛素连接酶接头蛋白SPOP与ATM/ATR信号通路以及MDM2/p53信号通路对DNA修复的分子机制进行总结,以期为DNA损伤修复提供新思路。     

多ADP-核糖聚合酶家族

分离鉴定多功能的核基质蛋白及核基质结合蛋白是目前核基质研究的一个重要领域。通过与转录因子、核基质结合元件以及DNA间相互作用,核基质结合蛋白在DNA复制、转录、加工修饰等细胞内事件中起着支持和调节的作用。多ADP-核糖聚合酶[poly(ADP—ribose)polymerase,PARP]是一种高度保守的核基质结合蛋白,在多种活动例如基因组损伤修复、细胞凋亡、信号转导、基因表达调控中都发挥着调节的功能。PARP的潜在生物学功能已越来越引起国内外研究人员的关注。     

Sirtuins与PARP-1在细胞凋亡过程中的相互作用

哺乳动物Sirtuins家族目前共发现7个成员：SIRT1～SIRT7,它们均为NAD+依 赖性且从细菌到人类都保守的一类酶.人们已经对这7种去乙酰化酶进行了亚细胞定位 .目前,对其研究主要集中在对细胞发育相关的重要转录因子如p53、FOXO家族及相关 蛋白的去乙酰化修饰.Sirtuins对许多生理过程有着重要的调节作用,尤其是当发现 它们对寿命延长的调控作用后,Sirtuins引起了人们极大的关注,且都发表在世界顶 级刊物上.聚ADP核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase, PARP)是一类存在于大多 数真核细胞中的蛋白质翻译后修饰酶,尤其是聚ADP核糖聚合酶1(PARP-1)在细胞内 DNA损伤修复等过程中起着重要作用,该酶同样以NAD+作为催化反应的底物.有研究发 现,Sirtuins家族成员与PARP-1在细胞内某些重要生理过程中存在着相互作用.本文评 述了Sirtuins家族成员、PARP-1的生物学特点,并就其参与哺乳动物细胞凋亡的调控 机制和相关信号通路进行了详细的论述,以期对Sirtuins家族成员、PARP-1生物学功 能及其相互作用的研究提供理论指导.     

泛素化修饰调控脱落酸介导的信号途径

泛素化修饰是一种重要的蛋白质翻译后修饰,通过调节蛋白的活性和稳定性等影响其功能的发挥,在真核生物的生命过程中具有非常重要的作用。泛素化修饰通过精细地调控植物激素脱落酸(abscisic acid, ABA)的合成和信号转导过程的关键因子,影响植物对ABA的响应,参与植物生长发育过程及对干旱、盐和冷胁迫等不良环境的应答。本文概述了植物中泛素化修饰的相关组分(包括泛素连接酶E3、泛素结合酶E2、26S蛋白酶体)和内膜运输相关蛋白,以及这些蛋白调控ABA合成和信号转导过程的最新研究进展,提出该研究领域需要解决的新问题,以期为相关领域的科研人员进一步了解翻译后修饰如何调控激素信号的转导途径提供参考。     

蛋白质可逆磷酸化对花粉管生长的调控作用

花粉管极性生长受多种信号与代谢过程的调控,主要包括Rop GTPase信号途径、磷脂酰肌醇信号通路、Ca²⁺信号途径、肌动蛋白动态变化、囊泡运输、细胞壁重塑等,这些过程都受到蛋白质可逆磷酸化作用的调节。如：(1) Rop调节蛋白(GEF、GDI和GAP)的可逆磷酸化可以改变其活性,从而调节Rop GTPase;同时,蛋白激酶还可能作为Rop下游的效应器分子参与Rop下游信号途径的调节;(2) 蛋白质可逆磷酸化作用既能够激活/失活质膜上的Ca²⁺通道或Ca²⁺泵,又参与调节胞内贮存Ca²⁺的释放,从而调控花粉管尖端Ca²⁺梯度的形成;此外,蛋白激酶还作为Ca²⁺信号的感受器,磷酸化相应的靶蛋白,参与Ca²⁺信号下游途径的调节;(3) 肌动蛋白结合蛋白(ADF和Profilin)的活性也受到蛋白质可逆磷酸化的调节,进而调控肌动蛋白聚合与解聚之间的动态平衡;(4) 蛋白质磷酸化作用调节胞吞/胞吐相关蛋白的活性,并调控质膜的磷脂代谢,从而参与调控囊泡运输过程;(5) 胞质丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和蔗糖合酶的可逆磷酸化可以调节其在花粉管中的功能与分布模式,参与花粉管细胞壁重塑;(6) 转录调节蛋白与真核生物翻译起始因子的可逆磷酸化可以改变其活性,从而调控RNA转录与蛋白质合成。文章主要综述了花粉管生长过程中重要蛋白质的可逆磷酸化作用对上述关键事件的调节。     

聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶1与DNA双链断裂修复的相关性

DNA双链断裂(double strand breaks,DSBs)是细胞最严重的DNA损伤形式。细胞通过同源重组(homologous recombination,HR)和非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)途径修复DNA双链断裂损伤。聚腺苷二磷酸核糖基化(poly(ADP-ribosyl)ation,PARylation)是蛋白质翻译后修饰过程,这个过程由聚腺苷二磷酸 核糖聚合酶家族(poly(ADP-ribose)polymerases,PARPs)催化完成。PARP1作为PARPs家族最重要的成员,其在DNA损伤应答方面发挥重要作用。研究显示,PARP1在DSBs修复过程中发挥关键作用,参与DSBs的早期应答反应及其具体修复途径,可依据KU蛋白的存在与否发挥不同的特定作用。本文较全面地综述了PARP1在DNA双链断裂修复方面的潜在作用,将为临床疾病的诊治提供新的思路。     

ATM和ATR：在G2—M期阻滞与凋亡中的作用及相互关系

ATR和ATM是DNA损伤引起的G2—M期阻滞的主要信号因子,它们通过调节不同的细胞因子在细胞G2—M期阻滞中发挥不同的作用,并且它们相互作用在诱发细胞凋亡方面也有重要意义。本文着重阐述了近年来报道的有关ATR和ATM在G2—M期阻滞与凋亡中的作用及相互关系方面的研究进展。     

泛素链水解酶的选择性和产生机制

底物蛋白的多聚泛素链修饰参与调节多种生命运动过程(包括蛋白质降解、自噬、DNA损伤修复、细胞周期、信号转导、基因表达、转录调节、炎症免疫等).去泛素化酶通过水解底物蛋白的单泛素和泛素链修饰,对泛素相关过程进行反向调节.人类基因组中约含90余种去泛素化酶,它们通过对自身酶活性和底物识别特异性的调节,实现了对细胞内复杂泛素过程的精密且层次性的调控.本文针对去泛素化酶对不同泛素链的识别选择性,综述目前已知泛素链水解酶的选择性和产生机制.     

ATM调节体细胞重编程

共济失调–毛细血管扩张突变(ataxia telangiectasia mutated,ATM)蛋白属于磷脂酰肌醇-3-激酶相关激酶家族(phosphatidylinositol-3-kinase related kinase family,PIKK)成员,是DNA损伤的感应器并将DNA损伤信号传递到下游修复蛋白,从而启动DNA修复、细胞周期阻滞和细胞凋亡等一系列事件,进而维持细胞基因组完整性。近期的研究揭示,ATM参与了体细胞重编程过程,当ATM完全缺失后显著影响诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PS cells)获得以及染色质的稳定;ATM还通过参与重编程过程中的染色质重塑进而调控体细胞重编程。ATM下游的效应因子p53和H2AX(histone 2A member X)等在重编程引起的细胞周期阻滞和凋亡中发挥重要作用。该文重点探讨了ATM及其下游细胞因子在参与调控体细胞重编程过程中的作用机制。     

核糖糖基化BSA单体对SH-SY5Y细胞的毒性明显（英文）

研究显示,蛋白质异常修饰形成的寡聚体,与其多聚体、淀粉样纤维相比,具有更强的细胞毒性.这一发现被认为是蛋白质错误折叠和聚集研究领域中的重要进展.蛋白质的异常修饰如还原糖的非酶糖基化,是糖尿病最基本的病理特征.2型糖尿病患者尿液中的核糖浓度显著升高,表明糖尿病不仅与葡萄糖代谢紊乱相关,同时也与核糖代谢失调相关.以牛血清白蛋白(BSA)为研究对象,通过荧光分光光度计检测、原子力显微镜、透射电子显微镜观察以及分子排阻色谱分离,观察到核糖糖基化能够诱导BSA聚集,从单体、寡聚体逐渐形成多聚体.通过CCK-8 Kit、乳酸脱氢酶细胞活性检测、TUNEL染色、caspase-3活性检测以及流式细胞检测等方法,发现核糖糖基化的BSA单体对SH-SY5Y细胞(人神经母细胞瘤细胞系)具有明显的毒性,与此同时,糖化寡聚体和多聚体没有表现出显著的毒性.进一步研究发现,核糖糖基化的BSA单体通过与AGEs的受体RAGE相互作用,激活细胞内的MAPK通路,从而导致细胞凋亡.