紫外光誘發 DNA 損傷的修復 (Repair of UV-Induced DNA Damage)
核苷酸切除修復 (NER) 與色素性乾皮症
- 龐大 (bulky) 的 DNA 光產物（嘧啶二聚體）通常經核苷酸切除修復 (nucleotide excision repair, NER) 路徑修復。
- 色素性乾皮症 (xeroderma pigmentosum, XP) 病人 NER 路徑缺陷使 UV 突變增加，導致黑色素細胞癌與角化細胞癌發生率較高。
- XP 包含七個基因互補群 (XPA 至 XPG)，代表 NER 路徑中不同的蛋白，另有獨立型式 XP variant。
- XP variant 源於 DNA polymerase-η 功能異常，該酶正常可越過 T–T 二聚體並正確插入兩個 A 殘基。
NER 的步驟
- NER 涉及：辨識 DNA 損傷、切開含病灶的 DNA 股、DNA 合成與接合以替換被切除的寡核苷酸。
- 在活躍基因中，被轉錄的股修正速度可比未被轉錄的股快達 10 倍。
- 轉錄偶聯修復 (transcription-coupled repair)：DNA 損傷辨識經停滯在嘧啶二聚體位置的 RNA polymerase，加上招募 CSA 與 CSB（Cockayne 症候群互補群 A 與 B 基因的蛋白產物）媒介。
- 全基因體修復 (global genome repair)：在未轉錄基因與非編碼區，XPC 與 XPE 蛋白結合 UV 損傷的 DNA，標記其待進一步處理。
- 兩種損傷辨識型式之後，NER 所有後續步驟皆相同：
- 關鍵中間產物為圍繞 DNA 病灶形成的開放、解旋結構，此反應利用 XPB 與 XPD 的解旋酶活性。
- 此形成切割位置：內切酶 XPG 切病灶 3′ 側、XPF–ERCC1 複合體切 5′ 側。
- 釋出一段 24 至 32 個殘基的寡核苷酸，缺口由 DNA polymerase δ 或 ε 填補，再由 DNA ligase 1 封合。
其他 NER 缺陷疾病
- NER 缺陷不僅見於 XP，亦見於另兩種光敏性疾病：Cockayne 症候群與光敏型脆髮症候群 trichothiodystrophy。
- 這些疾病不易致癌，但有時有與 XP 重疊的特徵。
- 值得注意：XPB/ERCC3、XPD/ERCC2 與 XPG/ERCC5 的不同突變竟與不相似的臨床表現型相關。
- 轉錄／修復症候群假說 (transcription/repair syndrome hypothesis) 被提出以解釋這些差異：
- XPD 或 XPB 突變可影響轉錄因子 IIH (TFIIH) 的修復功能，造成光敏性與癌症發生。
- 與／或影響 TFIIH 的轉錄功能，解釋 trichothiodystrophy 與 Cockayne 症候群的典型表現型。
XP variant 與跨病灶 DNA polymerase
- XP variant 病人的細胞 NER 完整，但表現型與其他 XP 互補群無法區分。
- 這些病人的缺陷在於細胞週期 S 期複製時對未修復 DNA 光產物的處理。
- 複製性 DNA polymerases 通常在未修復的 DNA 病灶處停滯並自 DNA 股脫離。
- 為此情況，細胞有數種特化的 DNA polymerases 可越過不同種類的 DNA 損傷，並使複製叉延伸通過受損位置。
- 因 POLH 突變，XP variant 病人缺乏 DNA polymerase-η 越過 T–T 二聚體並正確插入兩個 A 殘基的能力。
- 此顯示 NER 並非總能修復所有 DNA 病灶，而高保真跨病灶 DNA polymerase 的功能對維持基因體穩定至為關鍵。
- 在 XP variant 病人中，NER 可移除大部分 T–T 二聚體；但因 polymerase-η 缺乏，任何殘留二聚體較可能被（polymerase-η 以外的）跨病灶 DNA polymerases 越過，並插入錯誤殘基，造成 UV 突變者表現型 (UV-mutator phenotype)。
- 若 DNA polymerase-η 或任何其他特化跨病灶 DNA polymerase 在 S 期未能越過 DNA 損傷，細胞面臨停滯的複製叉；此時利用姊妹染色分體股侵入的 DNA 重組修復可解決停滯的複製叉。
鹼基切除修復 (BER)
- 與只能由 NER 修復的龐大嘧啶二聚體不同，非龐大的氧化性 DNA 鹼基修飾可經鹼基切除修復 (base excision repair) 處理。
- 如其名，第一步是移除一個鹼基而非核苷酸。
- 此步驟由 DNA glycosylase 執行，經水解切斷鹼基—去氧核糖糖苷鍵而移除受損 DNA 鹼基，留下無嘧啶／無嘌呤位置待進一步處理。
- 該 DNA glycosylase 對特定種類的 DNA 鹼基損傷具受質專一性。
- 人類 DNA glycosylase 8-oxoG DNA glycosylase 1 對如 8-oxoG 的氧化鳥嘌呤鹼基具專一性，並啟動這些病灶的鹼基切除修復。
細胞激素對 DNA 修復的影響
- 細胞激素 IL-12 或 IL-23 可干預 DNA 修復。
- 它們能有效地將 UV 照射的細胞自細胞凋亡中挽救，藉由觸發抑制免疫抑制的 DNA 修復機制達成，最可能部分源於消除調節性 T 細胞 (Tregs) 的誘導。
- 特別是 IL-23 可能對抗光致癌。
圖 86-14：核苷酸切除修復。此路徑修復「龐大」的 DNA 病灶，包括嘧啶二聚體（紅點）。A 全基因體修復中的 DNA 損傷辨識由 XPC 與 XPE 媒介；轉錄偶聯修復中則由停滯的 RNA polymerase 加上招募 CSA 與 CSB 媒介。兩類損傷辨識之後為相同的 DNA 修復步驟。B 由 XPB 與 XPD 的解旋酶活性將病灶周圍 DNA 雙股解旋。C 由內切酶 XPF 與 XPG 在病灶 5′ 與 3′ 側切開。D 釋出 24 至 34 個殘基的寡核苷酸後進行修復合成與封合缺口。CSA/CSB：Cockayne 症候群中功能異常的蛋白；ERCC1：切除修復交叉互補群 1；LIG1：DNA ligase 1；PCNA：增殖細胞核抗原；RPA：複製蛋白 A；TFIIH：轉錄因子 IIH；XP：色素性乾皮症。