照射致DNA双链断裂(DSB)后期修复中DNA依赖蛋白激酶催化亚基(DNA-PKcs)的功能探讨

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目的:放射治疗是恶性肿瘤综合治疗的重要手段之一,分析肿瘤细胞放射抵抗性的内在机制有助于设计和改进治疗策略,提高放射治疗疗效。细胞的放射敏感性与细胞周期调控有着密切的联系。细胞受照后发生DNA损伤,在通过G1和G2检查点时会被阻滞在G1和G2期。细胞周期停滞使细胞有足够的时间修复受损DNA,避免受损遗传信息被复制,DNA修复后的细胞从而继续存活,有丝分裂的忠实性也因此得到保证。放射线导致DNA损伤主要为DNA单链断裂(Single strand break, SSB)和DNA双链断裂(Double strand break,DSB)。DSB较SSB更为严重,其修复能力直接关系到肿瘤细胞放射敏感性。照射后DNA链断裂修复动力学研究也表明,DSB修复存在慢修复与快修复两种方式。快修复的半修复时间多在0.08~1.2h,此时多数细胞被阻滞在G1期;而慢修复的半修复时间多在2.4~6h,此时受照射的肿瘤细胞大部分已进入S/G2期阻滞。由于非同源末端连接修复方式(Non-Homologous End Joining, NHEJ)为G1期DSB的主要修复路径,且具有快速有效的特点,一般认为DSB的快修复方式是由NHEJ完成,而DSB的慢修复分子机制仍然存在较大争议。在DSB慢修复期大部分肿瘤细胞已进入G2期阻滞,该时相DSB的修复可能由NHEJ和同源重组修复(homologous recombination repair,HRR)共同完成。明确DSB慢修复机制中NHEJ和HRR的分工协作,有助于开发新的辅助治疗手段,通过调控DSB后期修复路径中的关键蛋白增强肿瘤细胞的放射敏感性。DNA依赖蛋白激酶催化亚基(catalytic sunbunit of the DNA-dependent protein kinase, DNA-PKcs)是NHEJ路径的重要蛋白酶,其酶活性为非同源末端连接修复(NHEJ)所必须。 DNA-PKcs与毛细血管共济失调突变基因(Ataxiatelangiectasia mutated, ATM)、Chk2蛋白同为细胞G2-M期转换的关键调节蛋白,与ATM、ATR (ATM and Rad3-related)等同属于磷脂酰肌醇相关蛋白激酶(phosphatidylinositol kinase related protein, PIKK)家族成员。本研究旨在通过抑制射线照射后特定时间DNA-PKcs的酶活性,明确DNA-PKcs依赖的NHEJ修复在DSB慢修复中所起的作用,为将来干预DSB修复从而提高肿瘤细胞放疗敏感性提供进一步的理论依据。方法:1、流式细胞仪检测不同剂量照射后不同时间HNE-1细胞株细胞所处的周期时相;2、免疫荧光法测定不同剂量照射后HNE-1细胞株DNA双链断裂情况;3、克隆形成实验测定DNA-PKcs小分子抑制剂NU7441对不同剂量照射后HNE-1细胞株克隆存活率的影响;4、采用SAS9.1统计软件,采用两因素析因设计的方差分析进行组间均数的比较。结果:1、流式细胞仪检测细胞周期,2Gy照射后0.5h时处于G1、G2/M、S期的细胞分别占总数的32.67%、8.00%、59.33%;1h时处于G1、G2/M、S期的细胞分别占总数的32.05%、8.00%、59.95%;4h时处于G1、G2/M、S期的细胞分别占总数的14.62%、19.44%、65.94%。5Gy照射后0.5h时处于G1、G2/M、S期细胞分别占总数的38.94%、8.00%、53.06%;1h时处于G1、G2/M、S期细胞分别占总数的37.49%、8.00%、54.51%;4h时处于G1、G2/M、S期细胞分别占总数的14.16%、21.58%、64.26%。细胞周期检测结果显示2Gy和5Gy照射后4h时HNE-1细胞株发生了S期延迟及G2/M期阻滞。2、免疫荧光法测得未照射组细胞γH2AX数量为12.33±2.52个;2Gy照射后0.5h时每个细胞γH2AX数量为19.67±3.06个,1h时为22.00±3.00个,4h时为12.33±2.08个;5Gy照射后0.5h时每个细胞γH2AX数量为41.00±2.65个,1h时为48.67±3.21个,4h时为29.67±3.51个。以上结果得出,鼻咽癌HNE-1细胞株在2Gy和5Gy照射4h后有相当数目的残留DSB存在,并与剂量相关,此结果与其他相关文献报道一致。3、克隆形成实验测得对照组HNE-1细胞株的克隆形成率(plating efficiency, PE)为65.50%;照射前加入10μm NU7441,2Gy照射后持续处理4h组细胞克隆存活率(survivalfraction, SF)为16.79%;2Gy照射后4h加入药物浓度分别为0、0.1、1、10μm的NU7441持续作用4h后各组SF分别为(64.89±3.11)%、(62.03±1.91)%、(64.89±5.40)%、(63.00±1.14)%。5Gy照射后4h加入药物浓度分别为0、0.1、1、10μm的NU7441持续作用4h后各组SF分别为(3.69±0.49)%、(4.07±1.44)%、(3.82±0.66)%、(4.09±1.14)%。初步分析显示,在DSB修复后期不同剂量照射后加入不同药物浓度NU7441并未对HNE-1细胞株的克隆存活率有影响。4、统计结果:采用SAS9.1统计软件,采用两因素析因设计的方差分析进行组间均数的比较。2Gy照射后,四个不同药物浓度之间细胞存活率差异无统计学意义(F=0.37,P=0.776);5Gy照射后,四个不同药物浓度之间细胞存活率差异亦无统计学意义(F=0.01,P=0.999)。结论:鼻咽癌细胞株HNE-1受照后4h仍然有残留DSB存在,此时大部分肿瘤细胞已进入G2期阻滞。我们的实验结果表明,在此阶段抑制DNA-PKcs的酶活性,细胞克隆存活率未观察到显著变化,表明照射引起的DSB后期修复,即慢修复方式与DNA-PKcs的酶活性关系不大,其修复更多依赖于HRR和DNA-PKcs非依赖性的末端连接修复。我们的实验研究第一次明确了DNA-PKcs依赖性的NHEJ通路在照射引起的DSB后期修复中作用较为次要,与放射引起的细胞增殖性死亡无关。这一结论是对放射敏感分子基础的重要补充,为将来干预DNA修复,增加肿瘤细胞放射敏感性提供了新的思路。
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