健康长寿的守护者,NMN/NAD+修复DNA的机制研究

来源:NMN观察    编辑:观察君
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:

http://v.qq.com/x/page/u06302bgkhl.html

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。

 

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。 
来源nmn观察(中国首家NMN科普门户)
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发布时间:2019-08-15 14:43:54
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