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健康长寿的守护者,NMN/NAD+修复DNA的机制研究

发布时间:2020-03-06 17:09

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  编者按

  遗传信息是守护健康或者通往疾病的大门,而DNA携带了所有遗传信息。端粒/端粒酶学说备受推崇,也是因其对染色体(包含DNA)的保护作用。

  人体有内源的DNA修复机制,就是以NAD+为底物的PARP修复机制,NASA用NMN保护宇航员免受宇航射线损伤也是基于此。以下详细介绍了保护机制,Enjoy it:

  哈佛大学的David Sinclair曾解释过机制,详见下视频:

  2015年,瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)授予托马斯·林达尔(Tomas Lindahl)、保罗·莫德里奇(Paul Modrich)和阿齐兹·桑萨尔(Aziz Sancar)诺贝尔化学奖,以此表彰他们对DNA修复机制的研究。

  

  01

  哪些物质损伤DNA?

  对DNA修复的研究早在很多年前就已经开始。

  

  20世纪20年代

  美国遗传学家赫尔曼·穆勒(Hermann Muller)发现x射线可以突变并杀死细胞;

  40年代末

  阿尔伯特·凯尔纳(Albert Kelner)研究发现细菌在紫外线损伤导致生长停滞后,可见光可以显著促进生长恢复;

  50年代

  斯坦利·鲁珀特(Stanley Rupert)证明了DNA修复酶的存在,并可以拯救紫外线照射的DNA;

  1964年

  理查德·塞特洛(Richard Setlow)发现胸腺嘧啶二聚体在紫外线照射后不久就从高分子量的辐射基因组DNA中消失,而是以低分子量的形式出现。他和他的同事威廉·卡里尔(William Carrier)将这一结果解释为胸腺嘧啶二聚体从DNA中被切除。

  以上先驱的开创性工作表明:紫外线能够诱导DNA损伤,导致细胞生长停滞甚至死亡;使用特定光照能够(部分)修复紫外线的影响。半世纪后的今天,我们已经知道不仅是紫外线,化学毒性物质、药品、病毒、辐射、内源性有毒物质、DNA复制错误等内外多种因素均可造成DNA受损。

  02

  DNA的修复

  DNA中的核糖、碱基以及磷酸二酯键都能成为DNA损伤的部位。常见的DNA损伤包括点突变、缺失、插入、倒位或转位以及双联断裂、碱基破坏、脱落,DNA-蛋白质铰链等。

  DNA损伤之后,机体可以通过一些保护措施修复损伤,包括光逆转、切除修复、重组修复等。在这些修复所需要的工具中,DNA聚合酶、DNA连接酶显得十分重要。

  ▼辨别DNA聚合酶、DNA连接酶▼

  

  1967年,盖勒特、雷曼、理查德森和赫尔维茨实验室发现了DNA连接酶,它是DNA代谢的基本酶,如DNA复制、重配对和重组。DNA连接的第一步是用腺苷-磷酸(AMP)部分对连接酶进行腺苷酰化。随后,AMP部分从连接酶转移到DNA的5'端的磷酸基团。然后,3'端的羟基攻击腺苷5磷酸,在两端之间建立磷酸二酯键,完成连接。

  03

  NAD+如何参与DNA修复?

  烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)作为具有通用功能的辅酶,几乎参与了所有能量代谢。除作为循环使用的递电子体,作为被消耗的供体/底物,NAD+参与sirtuins活化、NADPH合成、PARPs激活等途径,发挥从组蛋白修饰到DNA修复的诸多作用。

  

  NAD+作为底物通过PARP参与DNA修复

  PARP(poly(ADP-ribose)polymerase)中文全称聚ADP核糖聚合酶,具有感应DNA损伤的功能,它在识别了DNA片段的结构损伤后被激活。PARP可起“修饰”作用,主要修饰组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA连接酶。

  PARP家族中PARP-1、PARP-2和PARP-3参与DNA修复。PARP-3已被证明在DNA双链断裂修复中起主要作用,而PARP-1和PARP-2激活是由碱基切除修复过程中发生的DNA单链断裂触发的。

  PARP家族中研究最多的是PARP-1。

  

  PARP-1包含六个结构域

  ?Zn1和Zn2使PARP-1能够识别DNA单链和双链的断裂;

  ?Zn3可能与其他域有协同作用;

  ?AD承载自动化的主要位点,并且包含BRCT(BRCA1 C末端)折叠;

  ?WGR是未知功能的基本结构域;

  ?催化结构域(CAT)由螺旋结构域(HD)和ART结构域两个亚结构域组成,催化结构域相对保守。NAD+在此结构域中释放烟酰胺单元,向ADP核糖转化,并且将其转移到受体蛋白的赖氨酸、天冬氨酸和谷氨酸残基的羧基上。

  ?NAD+作为底物,供给PARP-1参与DNA修复。

  

  我们说NAD+参与DNA修复,主要便因为它是PARP家族的底物,有了NAD+, PARP才能发挥相应作用。反过来说,PARP也是细胞中NAD+主要的“消费者”之一,被PARP用完的NAD+变成了烟酰胺NAM,随后汇入补救途径,在NAMPT、NMNAT等酶的帮助下再次合成NAD+。当细胞处于应激状态(包括DNA修复过程)时,大量NAD+通过补救途径合成,以维持供需平衡。

  NAD+作为Sirtuins底物参与DNA修复

  Sirtuins是由7个成员(SIRT1-SIRT7)组成的蛋白去乙酰化酶家族。SIRT1、SIRT6、SIRT7存在于细胞核中,SIRT2在细胞质中发挥作用,SIRT3、SIRT4、SIRT5为线粒体蛋白。一些Sirtuins分子(尤其是SIRT1和SIRT6)在DNA损伤后的DNA修复和细胞代谢中发挥着重要的作用。

  作为NAD+的“消费者”,Sirtuins和PARP相互依赖、互相调控,分工协作参与DNA修复或细胞凋亡:

  SIRT1和PARP-1相互影响。DNA氧化损伤后,PARP会被激活,PARP通过消耗NAD+修复受损DNA片段,当NAD+耗竭,刺激SIRT1,直接导致细胞凋亡。

  SIRT6参与DNA修复调控。SIRT6能够转位到DNA损伤部位,促进DNA修复,SIRT6直接参与碱基切除修复和DNA双链断裂修复,通过单-ADP-核糖基化与PARP相互作用,从而刺激其活性。

  Sirtuins和PARP之间能够通过消耗共同的辅酶NAD+直接或间接地相互调节。

  NAD+为DNA连接酶IV提供DNA末端连接的腺苷酸供体参与DNA修复

  所有的真核DNA连接酶都使用三磷酸腺苷(ATP)进行DNA连接。但人类DNA连接酶IV作为DNA双链断裂(DSB)修复的关键酶,也可以利用NAD+作为DNA连接酶的底物。

  

  NAD+作为人类DNA连接酶Ⅳ的底物,通过分解得到AMP,并实现对DNA连接酶Ⅳ的腺苷酰化,为DNA修复连接提供物质基础。

  ★ 结语 ★

  综上,本文简单介绍了NAD+在DNA损伤修复过程中的相关作用,NAD+不仅在能量代谢途径上扮演着关键分子,在DNA修复方面也是至关重要的底物。NAD+通过作为PARP、Sirtuins的底物以及为DNA连接酶Ⅳ提供腺苷酸参与DNA修复,补充NAD+将有助于修复DNA受损。

  ? 参考文献(向上滑动翻阅 ):

  1、 Branzei, D. and M. Foiani (2008). "Regulation of DNA repair throughout the cell cycle." Nat Rev Mol Cell Biol 9(4): 297-308.

  2、 Ame, J. C., et al. (2004). "The PARP superfamily." Bioessays 26(8): 882-893.

  3、 Chen, S. H. and X. Yu (2019). "Human DNA ligase IV is able to use NAD+ as an alternative adenylation donor for DNA ends ligation." Nucleic Acids Res 47(3): 1321-1334.

  4、 De Vos, M., et al. (2012). "The diverse roles and clinical relevance of PARP