NMN中國:NAD+通過這些手段修復DNA

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2015年，瑞典皇家科學院(Royal Swedish Academy of Sciences)授予託馬斯·林達爾(Tomas Lindahl)、保羅·莫德裡奇(Paul Modrich)和阿齊茲·桑薩爾(Aziz Sancar)諾貝爾化學獎，以此表彰他們對DNA修復機制的研究。

01、哪些物質損傷DNA？

對DNA修復的研究早在很多年前就已經開始。

以上先驅的開創性工作表明:紫外線能夠誘導DNA損傷，導致細胞生長停滯甚至死亡；使用特定光照能夠（部分）修復紫外線的影響。半世紀後的今天，我們已經知道不僅是紫外線，化學毒性物質、藥品、病毒、輻射、內源性有毒物質、DNA複製錯誤等內外多種因素均可造成DNA受損。

02、DNA的修復

DNA中的核糖、鹼基以及磷酸二酯鍵都能成為DNA損傷的部位。常見的DNA損傷包括點突變、缺失、插入、倒位或轉位以及雙聯斷裂、鹼基破壞、脫落，DNA-蛋白質鉸鏈等。

DNA損傷之後，機體可以通過一些保護措施修復損傷，包括光逆轉、切除修復、重組修復等。在這些修復所需要的工具中，DNA聚合酶、DNA連接酶顯得十分重要。

辨別DNA聚合酶、DNA連接酶

1967年，蓋勒特、雷曼、理察森和赫爾維茨實驗室發現了DNA連接酶，它是DNA代謝的基本酶，如DNA複製、重配對和重組。DNA連接的第一步是用腺苷-磷酸(AMP)部分對連接酶進行腺苷醯化。隨後，AMP部分從連接酶轉移到DNA的5'端的磷酸基團。然後，3'端的羥基攻擊腺苷5磷酸，在兩端之間建立磷酸二酯鍵，完成連接。

03、NAD+如何參與DNA修復？

煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)作為具有通用功能的輔酶，幾乎參與了所有能量代謝。除作為循環使用的遞電子體，作為被消耗的供體/底物，NAD+參與sirtuins活化、NADPH合成、PARPs激活等途徑，發揮從組蛋白修飾到DNA修復的諸多作用。

NAD+作為底物通過PARP參與DNA修復

PARP(poly（ADP-ribose）polymerase)中文全稱聚ADP核糖聚合酶，具有感應DNA損傷的功能，它在識別了DNA片段的結構損傷後被激活。PARP可起「修飾」作用，主要修飾組蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA連接酶。

PARP家族中PARP-1、PARP-2和PARP-3參與DNA修復。PARP-3已被證明在DNA雙鏈斷裂修復中起主要作用，而PARP-1和PARP-2激活是由鹼基切除修復過程中發生的DNA單鏈斷裂觸發的。

PARP家族中研究最多的是PARP-1。

PARP-1包含六個結構域

Zn1和Zn2使PARP-1能夠識別DNA單鏈和雙鏈的斷裂；

Zn3可能與其他域有協同作用；

AD承載自動化的主要位點，並且包含BRCT(BRCA1 C末端)摺疊；

WGR是未知功能的基本結構域；

催化結構域(CAT)由螺旋結構域(HD)和ART結構域兩個亞結構域組成，催化結構域相對保守。NAD+在此結構域中釋放煙醯胺單元，向ADP核糖轉化，並且將其轉移到受體蛋白的賴氨酸、天冬氨酸和穀氨酸殘基的羧基上。

NAD+作為底物，供給PARP-1參與DNA修復。

我們說NAD+參與DNA修復，主要便因為它是PARP家族的底物，有了NAD+， PARP才能發揮相應作用。反過來說，PARP也是細胞中NAD+主要的「消費者」之一，被PARP用完的NAD+變成了煙醯胺NAM，隨後匯入補救途徑，在NAMPT、NMNAT等酶的幫助下再次合成NAD+。當細胞處於應激狀態（包括DNA修復過程）時，大量NAD+通過補救途徑合成，以維持供需平衡。

NAD+作為Sirtuins底物參與DNA修復

Sirtuins是由7個成員(SIRT1-SIRT7)組成的蛋白去乙醯化酶家族。SIRT1、SIRT6、SIRT7存在於細胞核中，SIRT2在細胞質中發揮作用，SIRT3、SIRT4、SIRT5為線粒體蛋白。一些Sirtuins分子（尤其是SIRT1和SIRT6）在DNA損傷後的DNA修復和細胞代謝中發揮著重要的作用。

作為NAD+的「消費者」，Sirtuins和PARP相互依賴、互相調控，分工協作參與DNA修復或細胞凋亡：

SIRT1和PARP-1相互影響。DNA氧化損傷後，PARP會被激活，PARP通過消耗NAD+修復受損DNA片段，當NAD+耗竭，刺激SIRT1，直接導致細胞凋亡。

SIRT6參與DNA修復調控。SIRT6能夠轉位到DNA損傷部位，促進DNA修復，SIRT6直接參與鹼基切除修復和DNA雙鏈斷裂修復，通過單-ADP-核糖基化與PARP相互作用，從而刺激其活性。

Sirtuins和PARP之間能夠通過消耗共同的輔酶NAD+直接或間接地相互調節。

NAD+為DNA連接酶IV提供DNA末端連接的腺苷酸供體參與DNA修復

所有的真核DNA連接酶都使用三磷酸腺苷(ATP)進行DNA連接。但人類DNA連接酶IV作為DNA雙鏈斷裂(DSB)修復的關鍵酶，也可以利用NAD+作為DNA連接酶的底物。

NAD+作為人類DNA連接酶Ⅳ的底物，通過分解得到AMP，並實現對DNA連接酶Ⅳ的腺苷醯化，為DNA修復連接提供物質基礎。

★ 結語 ★

綜上，本文簡單介紹了NAD+在DNA損傷修復過程中的相關作用，NAD+不僅在能量代謝途徑上扮演著關鍵分子，在DNA修複方面也是至關重要的底物。NAD+通過作為PARP、Sirtuins的底物以及為DNA連接酶Ⅳ提供腺苷酸參與DNA修復，補充NAD+將有助於修復DNA受損。

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