第四節(jié) 衰老DNA修復能力下降學說

1、第四節(jié)DNA修復能力下降學說 人體細胞中的DNA由兩條脫氧核糖核酸鏈組成，它們互相纏繞成右手螺旋結(jié)構(gòu)。在內(nèi)環(huán)境(如自由基)和外環(huán)境(如陽光中的紫外線、化學物質(zhì))等有害因素作用下，DNA鏈受損而發(fā)生斷裂，一般以一條鏈斷裂最為多見。在人體中，估計每天每一個細胞約發(fā)生2 000次DNA損傷事件。DNA損傷后，遺傳信息不能準確無誤地進行轉(zhuǎn)錄、翻譯，不過為了維持基因組的完整性以及機體的正常功能，細胞在進化過程中獲得了某些DNA修復機制，從而得以保證遺傳信息由親代高保真地傳至子代。細胞DNA的這種修復能力是生物體長期進化的結(jié)果，由遺傳因素決定，可因機體所屬的物種平均壽命不同而異。1974年，Hmtt和Se

2、t：low對7種哺乳動物(大鼠、小鼠、牛以及人等)皮膚成纖維細胞DNA非程序合成水平觀察后發(fā)現(xiàn)，用10 Jm2紫外線劑量照射各種培養(yǎng)細胞，細胞核中所出現(xiàn)的銀染顆粒數(shù)顯著不同，提示不同物種的DNA修復能力與其各自的最高壽命有著良好的正相關關系。 DNA損傷時，不同基因甚至同一基因不同部位的修復過程并不均一：轉(zhuǎn)錄活躍基因被優(yōu)先修復，而在同一基因中轉(zhuǎn)錄區(qū)被優(yōu)先修復。在細胞分裂的DNA復制時期，基因修復比較徹底，這就是干細胞能永葆青春的根本原因。目前國際上已證實人類修復基因至少有30余種。實際上，細胞對DNA損傷的應答不僅僅是誘導修復基因表達，而且通過轉(zhuǎn)換細胞周期調(diào)控點(checkpoint)的功能，

3、特別是p53、p21系統(tǒng)，阻滯細胞周期，從而使受損DNA有時間完成修復。因此，細胞對DNA損傷的應答時序及協(xié)調(diào)過程是由調(diào)控點控制基因(checkpoint control gene)控制的。 一、p53 p53基因位于17號染色體短臂17p131，DNA全長1620 kb，由11個外顯子和10個內(nèi)含子組成，外顯子2、4、5、7、8編碼5個進化高度保守的mRNA結(jié)構(gòu)區(qū)，其蛋白產(chǎn)物定位于細胞核，為一種含有393個氨基酸磷酸核蛋白，相對分子質(zhì)量約為531O3，故稱為p53。野生型p53(wtp53)基因編碼的p53是一種DNA結(jié)合蛋白，包含N一末端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域、DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、四聚體化結(jié)構(gòu)域和

4、c一末端調(diào)節(jié)域，具有轉(zhuǎn)錄激活作用，通過兩個途徑調(diào)節(jié)細胞生長發(fā)育：一為調(diào)節(jié)：DNA復制啟動復合物的組裝和功能，對細胞進入s期進行調(diào)控；二為反式激活某些抑制細胞增殖的基因，從而對細胞分裂進行負調(diào)控。此外，野生型p53基因還有監(jiān)視細胞基因組完整性的功能，例如，DNA遭受紫外線輻射等損傷時，p53蛋白將會累積，從而引起DNA復制停止，細胞停滯在G1期，提供足夠的時間進行DNA修復；如果修復失敗，則p53喪失這種功能，基因組穩(wěn)定性下降，突變和染色體重排以較高速率發(fā)生，最終導致惡性克隆出現(xiàn)。突變型p53(mtp53)基因編碼的。p53能夠抑制細胞凋亡，人類腫瘤一半以上具有p53基因突變和缺失。綜上所述，p

5、53基因的主要功能為阻滯細胞周期、促進細胞凋亡、維持基因組穩(wěn)定性和抑制腫瘤血管生成?；A研究發(fā)現(xiàn)，應用逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)導系統(tǒng)將溫度敏感型p53(p53Vall35)基因?qū)胗郎∈笈咛コ衫w維細胞NIH3T3中，該細胞株在培養(yǎng)條件下迅速表現(xiàn)出衰老相關特征，例如，細胞體積增大、細胞質(zhì)鋪展并伸出樹狀突起、細胞核增大并逐步分裂成多核、細胞質(zhì)中脂褐質(zhì)體增多以及細胞質(zhì)空泡化、吐核等現(xiàn)象，因此p53能夠誘導細胞迅速進入衰老狀態(tài)。臨床上，p53與各種老年性疾病的關系也很密切，它能誘導炎癥蛋白SAA產(chǎn)生，引起動脈粥樣化、骨質(zhì)疏松、類風濕關節(jié)炎以及一些神經(jīng)退行性病變。p53引起細胞衰老的機制可能與其誘導p21大量表

6、達有關。 二、p21 p21基因為單拷貝，定位于第6號染色體短臂上，DNA長度85 kb，有三個外顯子，長度分別為68 bp、450 bp和1 600 bp，其蛋白產(chǎn)物含有164個氨基酸，富含精氨酸，相對分子量2l10。，故稱為p21。p21是目前已知激酶抑制活性最廣的細胞周期抑制蛋白，可以抑制細胞周期蛋白依賴激酶(cyelindependent，kinase，CDK)活性。周期蛋白(eyclin)不僅有激活CDK的作用，還決定cDK何時、何處、將何種底物磷酸化，從而推動細胞周期前進。目前已分離出的周期蛋白有30余種，在脊椎動物中為A1-2、B1-3、c、D1-3、El-2、F、G、H等，分為

7、G1型、G1s型s型和M型4類，各類周期蛋白均含有一段約100個氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白框，介導周期蛋白與CDK結(jié)合。目前發(fā)現(xiàn)的CDK在動物中有7種，各種cDK分子均含有一段相似的激酶結(jié)構(gòu)域，這一區(qū)域有一段保守序列，即PSTAIRE，與周期蛋白的結(jié)合有關。細胞生長時，c1期cyclin D表達，然后與(,DK4結(jié)合使下游蛋白質(zhì)磷酸化，從而釋放出轉(zhuǎn)錄因子，促進基因轉(zhuǎn)錄；在G1-s期，cyclinE與CDK2結(jié)合，促進細胞通過G1s限制點進入s期。因此，cyclinDl-CDK4和cyclinE-CDK2是參與細胞G1期調(diào)控的兩種主要的蛋白激酶復合體，它們與p21結(jié)合后活性受到抑制，pRB蛋

8、白不能發(fā)生磷酸化，從而使細胞周期停滯在Gl期。另外，p21還可以抑制核增殖抗原(proliferation cell nuclear antigen，PCNA)與DNA多聚酶6結(jié)合，使DNA全酶不能在DNA單鏈上滑動，減慢復制叉行進速度，為修復DNA損傷爭取時間，從而有利于基因修復。由此可見，p21是一種可誘導的生長抑制劑，能夠促使細胞脫離細胞周期、發(fā)生分化，在個體發(fā)育中有重要意義。當細胞受到損傷或進入衰老狀態(tài)時，p2l就會阻斷細胞周期，使細胞不再增殖。 三、gadd45gadd45(growth arrest and DNAdamage一inducible的縮寫)是p53信號鏈的下游基因之一

9、。它編碼的蛋白相對分子質(zhì)量為19lO。，含有一個p53結(jié)合元件，與DNA修復的關系也很密切。Smith等人體外實驗研究發(fā)現(xiàn)，Gadd45促進核苷酸切除修復的作用與p21有關，它可以同p21競爭結(jié)合PCNA，成為修復復合體的成分而促進切除修復；另一方面，它還能使p21或cDKcyclin復合體脫離修復位點來促進切除修復。衰老細胞DNA損傷后，gadd45、p21基因。mRNA水平表達增高，但仍明顯低于年輕細胞。p53的表達調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，DNA損傷時其mRNA表達水平無明顯改變。因此衰老細胞DNA損傷修復能力下降以及細胞周期阻滯于G，期可能主要與gadd45、p21誘導表達下降有關。

10、隨著年齡增加，DNA修復能力下降，基因表達發(fā)生異常，錯誤遺傳信息不斷累積，細胞功能逐漸減退，最終導致細胞衰老乃至死亡。1979年，Setlow等人利用紫外線誘發(fā)人外周血淋巴細胞DNA修復過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)年輕人供體細胞的DNA修復能力高于中、老年人供體細胞，說明同一物種內(nèi)，個體的DNA修復能力與其年齡呈負相關，即高齡個體DNA修復能力小于低齡個體。國內(nèi)學者韓宗超等人利用單細胞凝膠電泳實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紫外線或過氧化氫損傷后，老年小鼠脾細胞DNA單鏈斷裂增多，其修復能力以及修復相關基因gadd45和gaddl53的表達情況均明顯低于青年鼠。韓宗超等人對大鼠衰老神經(jīng)細胞DNA氧化損傷與修復進行的研究表明，神經(jīng)元為終末分化細胞，當其DNA受損時，無論是衰老細胞還是正常細胞，都具備同樣性能的修復酶和一定的自我修復能力，但是衰老神經(jīng)元的DNA脆性和易損性增加，修復的忠實性較差。對人體培養(yǎng)細胞的研究