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1、DNA复制调控与人类重大疾病 我国生物医学科学中长期战略发展的一个方向 徐 珩 刘 谦 (中国医学科学院 北京 100730) 收稿日期:2003208225 修回日期:2003209219 目前,人类正受到日益严重的癌症、 心血管疾病、 病毒感染、 老年病和其它人类疾病的困扰。疾病的肆 虐将导致社会危机、 威胁人类文明,如非典型肺炎对我国和世界的袭击所带来的损失和震撼。因此,为了 与人类疾病斗争,通过新的途径了解疾病发生机理和发现新的特效药物是极为必要的。其中之一就是 DNA复制调控与人类疾病的基础和应用研究。 生命现象最本质的内容就是DNA复制。从生命科学发展来说,“DNA复制调控和人类疾
2、病” 的研究有 着丰富的原始创新和可持性创新的内涵,是后基因组时代生物医学研究领域未来的一个重要发展方向。 应用生命组学方法体系所体现的系统纵向差异研究,“DNA复制调控和人类疾病” 研究能从深层次发掘与 疾病发生密切相关的DNA变异、 调控因子和代谢分子,由此为癌细胞增殖抑制、 病变和老化细胞的逆转及 阻断病毒复制新药开发提供理论依据和确切的作用靶点,带来最新和最有希望的治疗途径。因此,“DNA 复制调控和人类疾病” 研究具有重大的基础理论意义,并能产生巨大的经济效益和社会效益。 1 DNA复制调控与人类疾病 111 DNA复制调控 DNA复制是细胞正常分裂、 增殖的关键一步。一个十分精细复
3、杂的细胞周期调控系统通过G1S期转 换调节和控制DNA复制过程的起始和进程。执行这个关键生命功能的多蛋白组成的DNA复制体是细胞 周期调控因子的综合作用点和效应点 1 。众多调控因子(蛋白)相互作用调控DNA复制体完成正常DNA 复制。比如,已知E2F、Myc、Rb、p16、p21、p53、PCNA及不同的CDKs、CDCs和Cyclins等多种细胞周期调控 蛋白和各种促进细胞增殖的生长因子参与了此进程的调控。这些调控蛋白和某些已知或未知的上游调控 蛋白相互作用形成一个特异的细胞周期调控依赖的DNA复制调控系统 2 。因此,在正常组织中,正常 DNA复制调控系统调控DNA复制体进行正常DNA复
4、制合成以供细胞正常增殖所需。一旦这些调控蛋白 本身或调控蛋白之间的相互作用发生变异,对DNA复制调控的综合平衡就会失调,造成DNA复制异常而 导致细胞病变或癌变 3 。所以,认识DNA复制调控的机理对了解癌症及其它人类疾病的发生和发展至关 重要。虽然,近20年来在细胞周期和增殖调控研究领域取得了一系列重大进展,然而,至今仍不清楚构成 这个DNA复制调控系统的多功能蛋白组成,缺乏DNA复制调控蛋白和多蛋白DNA复制体直接相互作用 的有力证据,不知道DNA复制调控系统是如何将细胞周期调控信号传递给DNA复制体。因此,目前还无 法确定在病变或癌变细胞中变异的调控蛋白,以及变异的调控蛋白相互作用是如何
5、启动异常的DNA复制 而导致细胞异常病变或癌变。由于细胞周期调控机制的复杂性,这些问题尚未解决,使细胞周期调控依赖 的DNA复制调控和细胞病变或癌变的关系始终是个迷,阻碍了人们对细胞周期调控的深入了解以及对相 关疾病病因的认识。 另一方面,细胞作为生命的基本单位,处于一个精确的细胞调控网络中。近十几年来,科学家从不同 角度对细胞病变或癌变发生的分子机制进行了大量的研究,把细胞病变或癌变发生的分子机理归结为: (1)不同调控基因表达的失调,包括激素调节,信号传导调节和转录调节的失调4 ; (2) 各种癌基因和抑癌 第23卷第10期 中 国 生 物 工 程 杂 志 CHINA BIOTECHNOL
6、OGY 2003年10月 基因正常功能的得失改变或它们本身的变异 5 。这些不同调控基因功能的修饰和变异打破了细胞内这个 精确细胞调控网络的全面平衡,而使细胞发生病变或癌变。比如,由于不能激活p21的表达或不能活化 p21的功能,异常的p53和BRCA1两者能导致乳腺癌的发展 6 。由此可见,在癌变和某些病变细胞中,所 有这些细胞调控网络中异常调控蛋白最终与细胞周期调控系统相互作用形成一个异常DNA复制调控系 统而激活细胞周期进入异常DNA复制,然后导致异常细胞增殖。然而,至今尚不完全清楚从正常细胞到 癌变(或某些病变)细胞,DNA复制调控系统本身中哪些功能蛋白发生了变异,是如何发生的?细胞周
7、期调 控系统是如何将细胞调控网络中产生的失调和变异信号最终传递到病变或癌变细胞中对异常DNA复制 本身负有关键作用的DNA复制相关蛋白上(如,Pol 和 PCNA) ?这些DNA复制相关蛋白的基因表达调控 和本身功能活性是否也受到异常活化,如果是,又是如何异常活化或失活的?这种DNA复制调控的异常 是否与细胞周期调控的变化相关一致?众多谜团尚未解开。 因此,为了了解DNA复制的细胞周期调控与病变和癌变的关系,新的研究思路与途径就显得尤为重 要。基于现有的研究工作,最有可能的突破口就是直接从DNA复制相关蛋白本身(如,Pol 和 PCNA)为出 发点,调查DNA复制相关蛋白本身的多功能活性;研究
8、各种调控因子对DNA复制相关蛋白的基因表达和 其蛋白功能活性二者的调控作用;以及探讨细胞调控网络和细胞周期调控系统保证DNA正常复制的动态 模式及在病变或癌变细胞中所表现的变化。这样,通过对正常细胞和癌变或病变细胞中DNA复制和DNA 复制调控的系统纵向差异研究,才有可能了解细胞病变或癌变发生的分子机理和DNA复制的细胞周期调 控与病变或癌变的关系,为新药开发提供理论依据和确切的作用靶点。 112 主要的DNA复制相关蛋白 在正常人体细胞中,DNA复制是由Pol(DNA聚合酶)、PCNA (proliferating cell nuclear antigen)、RFC、 RPA、DNA解螺旋酶
9、、DNA聚合酶和DNA连接酶等复制有关蛋白相 互作用组成的多蛋白DNA复制体完 成的 7 。其中,Pol 和 PCNA相互紧密结合形成Pol 2 PCNA核心复和物。Pol是人体细胞中最主要的DNA 复制聚合酶,具有高持续性催化DNA合成的作用,负责以前导链和后续链为模板两种不同形式的DNA复 制。同时Pol还具有3 25 核酸外切酶活性,参与复制错误的修正,以及DNA损伤的修复 8 。通过与重要 的细胞周期调控蛋白PCNA相互结合,Pol与细胞周期调控系统有机联在一起。但是至今仍然不清楚Pol 与细胞周期调控蛋白相互作用的分子机制。由于S期的进入是以DNA合成的起始为标志,因此Pol本身 在
10、细胞周期调控中的功能,特别是它如何接受Cyclins、CDCs、CdKs、p53、pRb、E2F、p21和Myc等其它已知或 未知的调控蛋白调控的研究,将为细胞周期调控研究的深入进行开辟新的途径,其研究结果将回答细胞在 最终进入S期的调控中的关键问题,了解DNA复制的细胞周期调控与病变或癌变的关系。 研究表明在那些活跃生长的组织中,比如再生肝和发育的心脏,Pol的蛋白含量和催化活性明显升 高。在快速生长的细胞中,其mRNA和蛋白质水平在G1S期间达到高峰,而且其基因POLD1的启动子活 性诱导在此时也增加了4倍。这意味着Pol蛋白活性的变化和其基因POLD1的表达与细胞周期进程具 有相关性。因
11、此,Pol是目前惟一认为与细胞周期有关的复制酶 9 。癌细胞的恶性增殖可能与POLD1的 异常调控表达有关,因为肿瘤细胞的快速增殖需要DNA的大量合成。然而,至今不清楚在癌变过程中,细 胞周期调控系统是如何将那些来自细胞调控网络中调控蛋白变异和失调的信号传递给Pol本身?这些失 调和变异信号又是如何修饰改变POLD1基因表达的调控而导致Pol异常表达以适应癌变或某些病变细 胞增殖的需要?探讨这些问题的意义在於:POLD1基因表达调控是否在正常活跃生长组织细胞和异常增 殖的癌变细胞中有所不同?如果不同,作为一个重要的DNA复制酶POLD1本身是否会是一个致癌基因 又是一个抑癌基因?或仅仅是由于不
12、同调控蛋白组合形成对POLD1表达活化或钝化的不同调控?这是 一个非常有深刻意义的问题。还有,干细胞和癌细胞一样有着相同的特征:能不断的自行复制!最新的研 究表明,干细胞和肿瘤细胞有相同的细胞周期调控进行的细胞核相关机制 10 。但是这其背后的分子机制 是否相同呢?那么,作为一个最主要的DNA复制酶,在干细胞分化增殖的过程中,是否Pol也起着关键重 要的作用?在干细胞中POLD1基因表达的调控及DNA复制调控是否与癌变细胞中的机制相同,还是由 不同的机制修饰而被激活的?对这些问题的探讨有助于我们对发育分化、 癌变和病变本质的认识,有助于 2 中 国 生 物 工 程 杂 志第23卷 我们找到最有
13、效、 最准确的治疗靶点,发展最有希望的治疗途径治愈人类疾病。 如上所述,PCNA是Pol行使复制功能的最关键辅助蛋白。PCNA显正电荷,含有丰富 的亲水区和疏 水区。在细胞核中,三个PCNA形成一个环状三联体有效地握住带负电荷的DNA。然后,Pol直接与它结 合才能启动正常的DNA复制 11 。PCNA又是一个主要的细胞周期调控蛋白,表达在细胞周期的不同功能 期中。它被发现在所有的正常活跃生长组织和肿瘤细胞中,是公认的细胞增殖的标志。增殖细胞中PCNA 在表达的时间上和程度上都与POLD1有着明显的相关性。由于其特殊的三级空间结构,使PCNA又成为 许多在细胞周期调控系统和细胞调控网络中起重要
14、作用的调控蛋白的结合靶蛋白;如PCNA与另一个细 胞周期调控因子p21相互结合,成为细胞周期调控中重要的一对调控因子。这样通过PCNA本身或与 PCNA相互作用的蛋白,多蛋白DNA复制体与精细复杂的细胞周期调控系统和细胞调控网络连在一起。 许多与癌变和病变有关的调控蛋白,比如p53和BRCA1 ,必须与PCNA结合才能发挥它们的功能作用 12 。 因此,基于这种对PCNA既是结构蛋白又是调控蛋白的认识,那是完全有可能设计特异性蛋白或多肽阻断 药物破坏PCNA与其它蛋白的结合,进而阻断癌变和某些病变细胞中DNA复制或其它相应的功能,从而达 到治愈疾病的目标。 113 DNA复制和DNA修复 诺贝
15、尔奖获得者利根川进指出:“人类所有疾病都与基因受损有关” 。因为疾病是体内细胞变异的表 象,细胞变异又是细胞核内基因受损的表象。机体在生长过程中,不断受到强烈的紫外线照射、 环境污染 以及自由基等外源和内源有害物质的侵害而导致人体DNA损伤变异。比如,在人体中每一个细胞每天估 计就发生20 000次的DNA损伤事件。因此,为了修补损伤的DNA和维持基因组的完整性,细胞发展了某 些DNA修复机制。修复蛋白的变异或缺失,会使损伤的DNA不能得到及时修复而形成钝化变异的DNA。 结果造成某些关键基因表达功能失调的变异蛋白,诱发细胞癌变、 病变或不正常的老化而导致不同的临床 疾病。比如,易发展成皮肤癌
16、的着色性干皮病就是由于细胞内核苷酸切除修复(nucleotide excision repair)系 统中修复蛋白(XP)受到变异所致 13 ;而DNA错配修复(mismatch repair)系统中修复蛋白(hMSH)的变异能 导致结肠癌的发生 14 。可以说,DNA修复蛋白识别并修复损伤的DNA是机体防御人类所有疾病发生的第 一道屏障。因此,美国NIH开展了一项 “环境基因组计划”,旨在了解人类基因与环境接触之间的交互作用 如何导致了大多数疾病的发展?通过对DNA修复基因的研究和对人类环境相关疾病基因的功能分析,使 我们能辨别处在危险中的基因,采用特定的DNA途径来制定更为有效的治疗方法。可以说,疾病的环境 因素图谱的描绘使 “环境基因组计划” 成为推动人类疾病预防的一个壮举。 尽管不同修复蛋白组成不同DNA修复系统,但越来越多的证据表明Pol 和 PCNA是不同DNA修复系 统的主要成分,是完成不同DNA修复必不可少的 15
