DNA损伤与复制应激检查点

《Annual Review of Biochemistry》：DNA Damage and Replication Stress Checkpoints

DNA损伤检查点是细胞周期的重要调控机制，通过ATM（酵母Tel1）和ATR（酵母Mec1）激酶感知DNA损伤或复制压力，触发细胞周期阻滞以促进修复。ATM主要响应双链断裂（DSB），通过磷酸化H2AX形成γ-H2AX标记，招募MRN复合物启动损伤位点识别。ATR则响应单链DNA损伤及复制 fork停滞，其激活依赖RPA-ssDNA结合和Dpb11/TopBP1等辅因子。两者信号级联通过Rad53/CHK1等效应激酶调控修复和周期进程。结构生物学研究揭示了ATM/ATR的激活机制，包括PRD域自抑制解除及FAT结构域介导的蛋白相互作用。该领域进展为癌症精准治疗提供了新靶点。

　　DNA损伤检查点是细胞中至关重要的调控机制，它们通过暂停细胞周期进程，为DNA损伤或复制停滞提供修复或修正的时间。这种机制对维持基因组的完整性、防止突变积累和细胞死亡具有重要作用。当DNA损伤发生时，检查点系统能够识别这些损伤，并通过一系列信号通路触发细胞周期停滞，从而确保DNA修复过程的顺利进行。如果这些检查点未能正常发挥作用，可能会导致基因组不稳定，进而引发细胞死亡或突变，最终导致诸如癌症等疾病的发生。因此，DNA损伤检查点不仅在细胞生理过程中扮演关键角色，也在疾病发生机制中占据重要地位。

近年来，结构生物学技术的快速发展为DNA损伤检查点的分子机制提供了重要的见解。这些技术揭示了检查点信号传导过程中高度协调的分子事件，使得我们能够更深入地理解检查点激酶（如ATM和ATR）在DNA损伤响应中的作用。ATM（在酵母中称为Tel1）和ATR（在酵母中称为Mec1）是DNA损伤检查点中的核心组件，它们在DNA损伤和复制压力的响应中起着关键作用。通过结构和细胞研究，科学家们逐渐揭示了这些激酶如何被招募、激活，并与下游效应因子相互作用，从而调节细胞周期进程。

在DNA损伤检查点的启动过程中，ATM和ATR作为核心信号传导激酶，分别响应不同的DNA损伤类型和复制压力。例如，ATM主要响应双链断裂（DSB），而ATR则对复制过程中出现的单链DNA（ssDNA）或复制压力进行响应。这两种激酶在检查点信号传导中相互作用，形成一个复杂的调控网络。当DNA损伤发生时，如DSB，ATM会被招募到损伤位点，并通过磷酸化反应启动检查点信号。在某些情况下，这种损伤还会引发ATR的激活，以协调DNA修复和细胞周期调控。这种动态的信号传导机制确保了细胞能够对DNA损伤做出精确的反应，同时避免了不必要的细胞周期停滞。

DNA损伤检查点不仅涉及对损伤的响应，还与DNA修复路径的选择密切相关。在某些情况下，细胞更倾向于使用同源重组（HR）进行DNA修复，而在其他情况下，非同源末端连接（NHEJ）可能是更主要的修复方式。HR是一种高保真度的修复路径，依赖于姐妹染色体之间的模板作用，而NHEJ则是一种快速但可能不够精确的修复方式。这些修复路径的选择受到细胞周期阶段的调控，确保DNA修复过程能够适应细胞的生理需求。例如，在S期，HR是主要的修复方式，而在G2期，NHEJ则可能更占主导地位。

在DNA损伤检查点的分子机制中，检查点激酶的激活是一个关键步骤。例如，ATM的激活需要其与MRN/X复合物（Mre11–Rad50–NBS1/Xrs2）的相互作用，而ATR的激活则依赖于RPA–ssDNA的结合。这些激酶的激活不仅需要特定的结合位点，还需要一定的结构变化，如构象转换或二聚体解离。此外，ATM和ATR在激活过程中也表现出一定的差异。例如，ATM的激活可能依赖于DNA末端的特定结构，而ATR则可能对较长的ssDNA片段更为敏感。

DNA损伤检查点的结构和功能研究揭示了这些激酶在细胞中的重要作用。例如，ATM和ATR不仅在DNA修复中起作用，还通过磷酸化反应影响其他细胞因子，如Rad53和CHK1。这些磷酸化事件可以触发一系列下游反应，包括细胞周期停滞、DNA修复启动和细胞死亡的调控。此外，这些激酶还可能参与调控基因表达、DNA复制和染色质结构，以确保细胞在DNA损伤时能够做出适当的反应。

在酵母中，Rad9蛋白作为ATM和ATR的适配蛋白，起着连接传感器激酶和效应激酶的关键作用。Rad9不仅能够招募Rad53，还通过其结构域（如BRCT和TUDOR）与DNA损伤相关的信号分子相互作用。这种结构域的识别能力使得Rad9能够响应不同类型的DNA损伤，并通过其磷酸化状态调控检查点的激活。此外，Rad9还能够通过其与H2A和H3-K79me3的相互作用，影响DNA修复的效率和细胞周期的调控。

在人类细胞中，类似的检查点机制也存在，但具体的分子组成和调控方式有所不同。例如，人类的53BP1蛋白与酵母的Rad9具有高度同源性，而CHK1则与Rad53具有类似的功能。这些蛋白在检查点信号传导中起着至关重要的作用，它们不仅能够被激酶磷酸化，还可能通过与其他蛋白的相互作用影响检查点的激活。此外，一些研究还表明，某些基因的突变或缺失会导致检查点功能的异常，从而影响DNA修复效率和细胞存活率。

近年来，随着结构生物学技术的进步，如冷冻电镜（cryo-EM）和X射线晶体学，我们对ATM和ATR的结构有了更深入的理解。这些结构揭示了这些激酶在激活前后的构象变化，以及它们如何通过不同的相互作用模式与DNA损伤位点进行通讯。例如，ATM的激活可能需要其与MRN/X复合物的结合，而ATR的激活则依赖于RPA–ssDNA的结合。这些结构还帮助我们理解了这些激酶如何通过不同的机制进行调控，例如通过磷酸化或与其他蛋白的相互作用。

尽管结构生物学技术为我们提供了重要的见解，但DNA损伤检查点的分子机制仍有许多未知之处。例如，检查点激酶如何被精确招募到损伤位点，以及它们如何通过不同的信号通路协调细胞周期停滞和DNA修复。此外，检查点激活的阈值和调控方式也尚不明确。这些未知因素使得DNA损伤检查点的分子机制研究仍处于探索阶段。

DNA损伤检查点的研究不仅有助于理解细胞如何应对DNA损伤，还为癌症治疗提供了新的思路。由于ATM和ATR在DNA修复和细胞周期调控中起着关键作用，因此它们成为精准医学的重要靶点。通过靶向这些激酶，科学家们希望能够开发出新的治疗方法，以增强DNA修复能力或抑制异常细胞的生长。此外，对这些检查点机制的深入研究还可能揭示其他疾病的发生机制，如遗传性疾病或免疫相关疾病。

总之，DNA损伤检查点是细胞应对DNA损伤和复制压力的重要机制。它不仅能够确保DNA修复的完成，还能通过细胞周期停滞防止突变的积累和细胞死亡的发生。近年来，随着结构生物学和分子生物学技术的发展，我们对这些检查点的分子机制有了更深入的理解。然而，许多关键问题仍然需要进一步研究，以全面揭示这些检查点在细胞生理和疾病发生中的作用。