DNA是生物遗传信息的主要载体,因此保持其分子结构的完整性和稳定性对于细胞的延续和发挥正常生理功能具有非常重要的意义。DNA时刻面临着来自于生物体内部或外部的侵袭,过氧化物自由基、电离辐射和环境诱变剂等均可以造成DNA损伤。各式各样的DNA损伤会引起多种类型的DNA突变,包括双螺旋断裂(DSBs),单链DNA断裂,DNA插入、缺失、核苷酸碱基修饰及染色体易位等,其中危害最大的是DNA双链断裂。放疗和多种抗肿瘤药物也是通过引起DNA损伤而杀死快速增殖的肿瘤细胞。其中阿霉素(Doxorubicin,Dox)属于蒽环类抗肿瘤抗生素,具有杀伤肿瘤细胞的广谱性,是临床上多种化疗方案的核心药物。其作用机理主要是嵌入到DNA中造成双链的断裂。DNA损伤应答(DNA Damage Response)是细胞对DNA损伤后的一种应激反应。正常细胞具有复杂的DNA损伤应激反应通路,其激活会引起细胞周期停滞、细胞凋亡或者细胞衰老,并抑制细胞癌变的发生。细胞内DNA损伤应激反应由多条信号通路调节。其中PI3K-like protein kinase蛋白激酶家族是DNA损伤反应的核心组成部分,包括Atm、Atm-Rad3-related(ATR)、DNA-dependent-protein kinase(DNA-PK)。Atm的重要底物之一是p53,最重要的抑癌基因之一,它能够通过激活下游的p21Cip1来调节细胞周期,还可以通过激活下游的Puma,Bax等诱导细胞坏死,被称为基因组的守护者。Mdm2是p53的重要负调节因子。Mdm2蛋白作为E3泛素连接酶,最重要的是调节p53的稳定性。Atm/Atr的底物还包括Chk1和Chk2,它们通过调节Cdc25激活细胞的G2/M关卡,引起细胞周期停滞。Atm/Atr-p53和Atm/Atr-CHK1/2-CDK通路,是目前研究较多的经典的DNA损伤应激反应通路。此外,细胞中也存在非经典的(Alternative)DNA损伤应激通路,比如p38MAPK-Atf2以及BMP-Smad1等介导的损伤应激通路,在调控细胞周期和细胞凋亡中同样发挥重要的作用。利用多种DNA损伤信号通路敲除小鼠,我们发现当小鼠基因组受到毒性压力后,可以同时激活Atm-p38MAPK-Atf2非经典的损伤通路和BMP-Smad1非经典的DNA损伤通路,随后两条途径协同作用诱发p57Kip2在细胞中的表达上调。同时我们发现当基因组DNA受到外界毒性压力时可以促进Smad1-Atf2复合物结合在p57Kip2的启动子上,从而调节p57Kip2的转录及翻译。正常情况下,p57Kip2作为细胞周期蛋白依赖蛋白激酶抑制剂的一员,主要是通过阻断细胞周期中G1/S期的转换,实现对细胞周期的负调控,进而阻止细胞增殖和肿瘤形成。在DNA损伤应答中,我们发现p57Kip2上调可以诱发细胞停滞在G1/S期,从而阻止细胞增殖。在肿瘤抑制中,它的功能与p53相似,并且作用平行,可以共同抑制细胞增殖和肿瘤形成。此外病人直肠癌样本发现p57Kip2在肿瘤发病I期和II期中表达量显著上升,这可能是由于在癌前和/或早期癌细胞中基因组不稳定造成的。在肿瘤治疗中,进一步在原发性直肠癌细胞中敲低p57Kip2后,利用阿霉素处理,发现细胞的死亡率明显增加;在裸鼠模型中利用p57Kip2敲除的细胞成瘤后,通过阿霉素化疗处理,p57Kip2敲除的肿瘤明显生长被抑制。这就表明了p57Kip2在药物抗性中也扮演着非常重要的角色。这些结果揭示了p57Kip2在肿瘤的发生和治疗中的作用。目前应用在临床上的大部分肿瘤化疗药物及靶向性药物都会引起DNA损伤,并且都或多或少的具有副作用,从而限制其临床应用。阿霉素作为肿瘤化疗的常用药物,副作用较大,可以引发剂量依赖性心脏毒性。目前许多证据表明阿霉素引发的心脏毒性可能与体内氧化应激反应、铁代谢失衡、钙超载、能量代谢障碍、线粒体损伤和细胞凋亡等有关。然而我们怀疑心脏毒性与DNA损伤应激通路有一定的关系。我们首先从经典的DNA损伤通路Atm-p53入手,分别在Atm及p53敲除的小鼠模型注射不同剂量的阿霉素。研究发现Atm-/-小鼠注射肿瘤化疗浓度的阿霉素可以进一步缩短小鼠的寿命。证明了阿霉素引发的心脏毒性与Atm有关。在p53-/-的小鼠中发现注射不同剂量的阿霉素对小鼠的生存率并没有影响。但是研究中发现,阿霉素及一类的蒽环类药物均可以引起Mdm2的选择性剪接,在外显子中插入一段有终止子的内含子,使得Mdm2蛋白在翻译过程中丢失了E3泛素连接酶,失去了对p53的调节的作用。Mdm2作为一个E3泛素酶也可能调节p53之外的其它蛋白的稳定性。此外文献报道,阿霉素引发的心脏毒性与钙离子调节有着密切的关系。PLN(受磷蛋白)作为心脏钙离子转运的重要调节者,可以调节心脏钙离子平衡。我们研究发现PLN的敲除可以部分挽救阿霉素引发的心脏毒性,延长小鼠寿命。但是在阿霉素引发的心脏毒性调节中,PLN是否受Mdm2和Atm的影响还需要进一步研究。PLN在调节心脏毒性中的作用对于临床用药的开发具有重要的指导意义。