DNA 雙 鏈 斷 裂（DNA double strands breakage, DSB）是細胞受到電離輻射后生物學上最嚴重的損傷。
DNA 損傷激活細胞內 DNA 損傷應答（DNA damageresponse,DDR），產生細胞凋亡、細胞周期阻滯以及DNA 損傷修復等一系列生物學效應。DSB 修復有同源重組（Homologous recombination,HR）和非同源重組末端連接（Non-homologous end-joining,NHEJ）修復兩種方式。本文著重介紹 HR 修復分子機制、影響因素、合成致死及其與 NHEJ 修復的關系，并探討其臨床應用的潛在可行性。
DNA 損傷啟動多種修復機制，其中 HR 修復是保護基因組完整性的重要機制，參與 DNA 單鏈斷裂（Single strand breakage,SSB）導致的復制叉斷裂和鏈間交聯以及 DSB 的修復，以姐妹染色單體為 DNA 模板，是無錯誤修復通路，只發生在 S 期和 G2 期[1].放射生物學家們從 20 世紀早期已著手 HR 修復與 DSB的關系的研究，本文僅以時間點為線索回顧 HR 修復和合成致死的重要研究進展，詳見圖 1.
1 同源重組修復機制、影響因素及其合成致死效應
HR 修復的主要成分包括 MRN（MRE11–RAD50–NBS1）復合體，RAD51、RAD51 同源異構體、RAD52（在酵母菌中）、RAD54,涉及 BRCA1、CtIP（CtBPinteracting protein）、ATM、ATR、PALB2（Partner andlocalizer of BRCA2）、BRIP1（BRCA1 interacting proteinC-terminal helicase 1）等因子[1-2].
1.1 HR 修復機制 HR 修復分為 3 個時期：（1）聯會前期；（2）聯會期；（3）聯會后期[1-3].
1.1.1 聯會前期 MRN 復合體與 DNA 斷端結合啟動HR 修復，Mre11 與 CtIP 啟動 5'-3‘切除過程[4].核酸外切酶 1 和具有解螺旋酶 - 核酸內切酶功能的 STR-Dna2 復合體共同作用持續產生 ssDNA.RPA 覆蓋切除的 DNA 斷端，限制二級結構形成，促進 RAD52 介導的重組酶 RAD51 裝載。RAD51 在 ssDNA 上形成前聯會核蛋白纖維[1,3].
1.1.2 聯會期 RAD51-ssDNA 聯會前核蛋白纖維介導同源序列的尋找和 DNA 鏈侵入，這是 HR 修復核心反應。靶 DNA 與 RAD51 核蛋白纖維之間的 DNA 鏈配對形成 D-loop,包括新異源雙鏈 DNA 和供體 DNA 移位的鏈[3].RAD54 協助 RAD51 尋找 DNA 同源序列、Holliday 聯結分支的遷移及 RAD51 取代侵入 DNA 和啟動 DNA 修復的過程[5].
1.1.3 聯會后期 以 3'- 斷端為引物進行 DNA 合成，RAD51 與 dsDNA 分離，暴露 DNA 合成所需的 3'-OH[1].第二個 DSB 斷端與擴展的 D-loop 平行，形成雙Holliday 聯結，在解離酶作用下這些對稱結構產生交換型或非交換型產物[3].
1.2 HR 修 復 的 影 響 因 素 HR 修 復 受 RAD51、BRCA1、BRCA2 等因子調控。BRCA1 的腫瘤抑制因子活性依賴其細胞周期檢查點、轉錄、蛋白泛素化、凋亡和 DNA 修復方面的功能，受 BRCT 磷酸蛋白識別區域調節。Rad50、RAD51 和 γH2AX 的募集過程依賴 BRCA1,BRCA1 缺失細胞喪失使 RAD51 集中于DNA 損傷區域的能力，導致 HR 和 NHEJ 修復、S 期和 G2-M 期細胞周期檢查點均存在缺陷[5-6].間 質 - 上 皮 轉 型（Mesenchymal epithelialtransition,MET）抑制劑下調 MET 活性，減少 RAD51移入細胞核并阻斷 RAD51-BRCA2 復合體之間相互作用，致 HR 修復受損，γH2AX 消退延遲，細胞內DSB 持續高水平[7].CDK1、2（Cyclin dependent kinase1,2）磷酸化 BRCA2,調節其與 RAD51 相互作用，促進 S/G2 期 HR 修復[8].
總之，HR 修復是眾多因子共同作用相互協調的過程，這些因子失活或步驟中斷都會對 HR 修復的最終效應產生影響。
1.3 合成致死 合成致死（Synthetic lethality）指 2 個或以上基因同時突變的遺傳組合導致細胞死亡，而這些基因中任意一個基因突變都不會引起細胞死亡。HR修復缺陷腫瘤細胞中常見 BRCA1 和 BRCA2 等基因突變，此背景下應用特異性靶向藥物抑制特定基因表達，產生合成致死效應。其治療策略意義是在 DNA 損傷修復缺陷腫瘤細胞中抑制其他修復通路促進合成致死效應；也可抑制預先存在細胞周期檢查點缺陷或修復缺陷細胞的細胞周期檢查點，增加損傷 DNA 聚集和促進細胞死亡[9].
2 HR修復與NHEJ修復的關系
對 IR 所致的 DSB HR 與 NHEJ 修復具有互補作用。一個決定修復方式的重要因素是 5'-3'DNA 斷端切除，啟動 NHEJ 修復失敗后進行，促進 HR 修復而非經典 NHEJ 修復。53BP1 阻斷斷端切除抑制 HR修復，是關鍵調節因子[10].DDR 因子 E3 泛素連接酶 RNF168 促進刪除 BRCA1 的細胞中 H2A/H2AX 在K13/15 單泛素化和 53BP1 聚集在損傷區域，抑制 HR修復[11].HR 修復缺陷細胞中，易產生錯誤的 NHEJ修復是主要修復方式，染色體易位和重組的頻率增加。
G2 期兩條通路均有效時，優先選擇不易產生錯誤的HR 修復[12].
3 HR修復研究的潛在臨床意義
DSB 修復異常作為腫瘤發病風險、預后指標和治療靶點，近年來受到廣泛關注和研究。
3.1 HR 修復與疾病發生和預后的關系 BRCA1 N端 RING 結構域和 C 端 BRCT 結構域的遺傳性變異對易導致遺傳性乳腺癌和卵巢癌[13].BRCA1 特定位點錯義突變或氨基酸置換影響 HR 修復和 SSA（single-strand annealing）修復，是遺傳性乳腺癌致病因素[14].
BRCA1 與 50%~85% 乳腺癌和 15%~45% 卵巢癌發病風險相關。BRCA2 是啟動 BRCA1-BRCA2-HR 損傷修復的效應器，其遺傳性缺陷與 40%~60% 乳腺癌和10%~20% 卵巢癌終生風險相關[15].
部 分 HR 修 復 通 路 因 子 如 PALB、BRIP1、BARD1、MUS81、RAD51 等，有抑制腫瘤活性的功能，在抑制乳腺癌和卵巢癌發病中起主要作用[16].RAD51低表達見于乳腺癌，高表達見于胰腺癌。MRE11（T）11 重復序列突變見于 80% 以上結直腸癌患者中[2].
RAD51 家族成員 XRCC2 缺陷時細胞內 HR 修復降低 100 倍，XRCC2 rs3218408 與乳腺癌患病風險相關，rs3218536 與乳腺癌和胰腺癌不良預后相關[17].
非小細胞肺癌中 RAD51 G135C 可作為預測臨床效果的生物指標，攜帶 C 等位基因患者中位生存率更高；且在吸煙和既往吸煙患者中，攜帶 C 等位基因患者總生存率較 GG 基因型患者高[18].
3.2 HR 修復與腫瘤靶向治療的研究進展
3.2.1 合成致死的臨床應用 HR 修復應用于腫瘤靶向治療的一個重要機制是合成致死，常見策略有 2 種：（1）以特定 DNA 修復通路為靶點；（2）細胞周期檢查點抑制劑。
多 聚 二 磷 酸 腺 苷 核 糖 聚 合 酶 [Poly（adenosinediphosphate（ADP）-ribose）polymerase,PARP] 抑制劑是重要的合成致死靶向藥物。PARP 在修復 SSB 中的作用是合成致死的基礎。復制叉遇到 SSB,該損傷轉換為 DSB,NHEJ 不能修復此類只有一個斷端的 DSB,需啟動 HR 修復；若 HR 缺陷，則無法修復。PARP 抑制劑（PARP inhibitor,PARPi）增加開放型 SSB,致復制相關 DSB 數量增加，最終引起染色單體斷裂和細胞死亡[9].BRCA 變異細胞對 PARPi 敏感性是野生型細胞的 1000 倍，PARPi 奧拉帕尼治療乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌顯示出顯著療效[5].但 50% 上皮性卵巢癌 HR 修復完整，限制 PARPi 的應用。17-AAG將 HR 修復完整腫瘤轉變為 HR 修復缺陷腫瘤，增加上皮性卵巢癌細胞對奧拉帕尼的敏感性[19].PARPiVeliparib 在三陰乳腺癌和化療抗拒的卵巢癌前臨床試驗中顯示單藥活性[2].Rad52 促進 Rad51 介導的 HR修復，BRCA1、PALB2、BRCA2 缺陷人腫瘤細胞中刪除 RAD52HR 修復速度減緩，染色體異常增加，克隆存活率降低，它們之間存在合成致死關系。以 Rad52為靶點的藥物研發處于前臨床試驗階段[20].
應用細胞周期檢查點抑制劑于 DNA 修復缺陷細胞是另一種治療策略。抑癌基因 p53 為調控 G1/S 期檢查點所必需，多種腫瘤細胞中失活，尤其是 BRCA1 或BRCA2 突變腫瘤細胞中。ATM-ATR-CHK1 通路參與DNA 損傷后 S 和 G2 期檢查點調控，CHK1 抑制劑增加 p53 突變細胞對放射治療或化學治療敏感性[9].
3.2.2 以 HR 修復通路因子為靶點的腫瘤治療 HR修復通路主要因子作為腫瘤靶向治療的潛在靶點已被廣泛研究。近年來出現部分以 HR 修復為靶點的抗腫瘤新藥，如：（1）蛋白酶抑制劑；（2）Bcl-abl 抑制劑伊馬替尼；（3）組蛋白乙?；敢种苿℉istonedeacetylase inhibitors,HDACi）；（4） 熱 休 克 蛋 白HSP90 抑制劑 17-AAG.
特異性抑制劑改變或降低 HR 修復通路主要因子功能或活性，抑制其修復能力以增加腫瘤細胞對導致DSB 敏感性的目的，此種治療策略已見于前臨床試驗。
地西他濱處理多發性骨髓細胞激活 DDR,促進 RAD51和 53BP1 形成，聯合 RAD51 抑制劑 B02 增加其誘導的細胞凋亡；小劑量 HDACi JNJ-26481585 干擾 DNA損傷修復通路，提高地西他濱介導的細胞毒性[21].
MRN 抑制劑 Mirin 阻止 G2/M 期檢查點激活和 HR 修復[2].ATM 屬 于 PIKK 超 家 族，G1-S 期 ATM S367,S1893,和 S1981 位點脫磷酸化下調 ATM 水平，抑制HR 修復[22],其高度特異性小分子 ATP 競爭性抑制劑KU-55933 提高腫瘤細胞對放射線和致 DSB 藥物的敏感性，提示該藥的潛在臨床應用價值[2].
刪除特定基因抑制 HR 修復，增加腫瘤細胞放射敏感性，這是具有應用前景的增加放射治療敏感性的靶點。研究顯示敲除 IGF-1R 致 HR 修復缺陷，γH2AX 消除延遲，G1 期細胞放射敏感性增加[23].黏連 蛋 白（Cohesin） 由 SMC1、SMC3 和 Rad21 組 成，磷酸化后激活，DSB 形成時聚集并促進修復。敲除53BP1、H2AX 和 MDC 基因后，SMC1、SMC3 的磷酸化減少；敲除 Rad21 引起細胞周期分布改變，G1 期細胞較 S 期、G2 期、M 期多[24].
總之，DSB 是細胞受到電離輻射后發生的最嚴重DNA 損傷，其修復機制復雜且與腫瘤發病和治療密切相關。近年來關于其修復機制研究一直是腫瘤轉化醫學研究的熱點，其中 HR 修復作為保護基因組完整性的重要機制受到越來越多的關注，主要集中于 3 個方面：（1）HR 修復基因缺陷與多種腫瘤發病相關，如何篩查攜帶這些突變基因的高危人群達到預防腫瘤的目的是腫瘤預防的難點，如何檢測腫瘤患者中這些突變基因以期制定合理的治療策略；（2）通過抑制腫瘤細胞 HR 修復通路特別是合成致死，增加腫瘤放化療敏感性，為腫瘤的靶向治療提出了一種新的思路；（3）DNA 損傷修復涉及多種修復機制，深入研究它們之間的聯系，促進其在腫瘤治療的應用研究。深入了解 DSB 與 HR 修復之間的分子機制并將其應用于腫瘤個體化治療有望突破腫瘤治療成功的瓶頸。
