全 文 ：第26卷 第11期
2014年11月
Vol. 26, No. 11
Nov., 2014
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2014)11-1157-09
DOI: 10.13376/j.cbls/2014164
收稿日期：2014-09-30
*通信作者：E-mail: xudongyi@pku.edu.cn
DNA双链断裂的非同源末端连接修复
严振鑫，徐冬一*
(北京大学生命科学学院，北京 100871)
摘　要：细胞内普遍存在的 DNA双链断裂 (DSB)可通过同源重组 (HR)或非同源末端连接 (NHEJ)修复。
由于 HR仅在存在相同染色体作为模板的时候进行，因此，NHEJ通常为主要的修复方式。在 NHEJ中，
DSB末端首先由 Ku识别，接着由核酸酶、聚合酶在 Ku与 DNA-PKcs协助下加工，并由连接酶 IV-
XRCC4-XLF连接。NHEJ底物类型多样，末端的修复常包含反复加工的过程，导致修复产物通常无法复原
损伤前的序列。虽然无法确保准确修复 DNA，NHEJ仍对维持基因组的稳定性具有重要的意义。对 NHEJ
的研究有助于理解癌症的发生机制并将促进癌症的治疗。
关键词：双链断裂；非同源末端连接；Ku；DNA-PKcs；连接酶 IV；XRCC4；XLF
中图分类号：Q343 文献标志码：A
Role of nonhomologous end joining pathway
in the repair of DNA double-strand breaks
YAN Zhen-Xin, XU Dong-Yi*
(School of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871, China)
Abstract: As a deleterious but common form of DNA damage, DNA double-strand breaks (DSB) can be repaired
by both homologous recombination (HR) and nonhomologous end joining (NHEJ) pathways. As HR takes place
only when an intact homologous chromatin is prepared as a template, NHEJ is the primary pathway to repair DSB.
DSB is initially recognized by Ku. With the help of DNA-PKcs, Ku recruits nucleases and polymerases for end
processing and ligase IV-XRCC4-XLF for the final ligation step. Although the structural diversity of break ends and
iterative processing of DNA ends together make NHEJ an error-prone pathway, it plays a significant role in the
徐冬一，博士，北京大学生命科学学院研究员。自从 2005年以来，
一直从事与核酸代谢和 (或 )人类疾病有关的多蛋白质复合物的纯化和研
究，发现了新的 DNA修复相关蛋白 RMI2、Rif1和 XLF2等。迄今最具科
学意义的贡献是发现了第一个具有生理功能的 RNA拓扑异构酶。在 Nat
Neurosci、 Mol Cell、Genes Dev和 EMBO J等 SCI 期刊发表论文 10余篇。
实验室主要研究方向包括：(1)建立与 DNA修复相关的蛋白质相互作用网
络；(2)寻找与 DNA修复和 (或 )人类疾病相关的新蛋白质；(3)了解
RNA拓扑异构酶在 RNA代谢和脆性 X染色体综合征 (Fragile X syndrome,
FXS)中的功能。
徐冬一　教授
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作为最重要的遗传物质，DNA持续发生不同
程度的损伤，其中双链断裂 (double-strand break,
DSB)最为严重且普遍存在。每个细胞每天大约经
历 10~100次 DSB[1-2]。造成 DSB的外源因素有自
然界存在的电离辐射 (ionizing radiation)以及人为的
核武器 /核泄漏、放射造影 (X射线、γ射线 )、化
疗药物和机械损伤等，内源因素包括代谢产生的活
性氧 (reactive oxygen species, ROS)、拓扑异构酶重
连缺陷以及在单链断裂 (single-strand break, SSB)处
的复制 [1-5]。淋巴细胞中还存在发育性的、程序性
的 DSB，即 V(D)J重组和类别转换重组 (class-switch
recombination, CSR)[6]。DSB直接破坏染色体的物
理连续性，若无法及时修复，可能因整段染色体的
丢失而造成细胞衰老、凋亡或癌变 [2,7]。DSB可通
过两种途径修复：同源重组 (homologous recombination,
HR)和非同源末端连接 (nonhomologous end joining,
NHEJ)。HR以完全相同的染色体作为模板执行精
确的修复，但仅发生在 DNA经历或完成复制的 S
和 G2期 [8]。NHEJ可在整个细胞周期发生 (有丝分
裂期可能受抑制 )，因为修复不需要模板，只基于
断裂末端的结构而容易产生错误 (包括缺失、插入
和点突变 )[9]。哺乳动物细胞中的 DSB主要通过
NHEJ修复 [2]。本文以参与蛋白质的功能为重点介
绍哺乳动物中经典 NHEJ修复途径，并简介替代
NHEJ途径 (alternative-NHEJ, aNHEJ)、V(D)J重组
及 CSR的基本过程，最后分析 NHEJ的进化以及
NHEJ与 HR的联系。
1　NHEJ的基本过程
NHEJ的基本过程是：双链断裂产生后，Ku识
别断裂末端并最先与断裂 DNA结合，随后 Ku招
募DNA-PKcs(DNA-dependent protein kinase catalytic
subunit)在空间上排列并稳定两个断裂末端，DNA-
PKcs通过自磷酸化和磷酸化下游蛋白传递修复信
号，DNA末端加工蛋白 (核酸酶、聚合酶等 )将断
裂末端加工成适合连接的结构，最后连接酶 (Ligase)
IV-XRCC4(X-ray repair complementing defective
repair in Chinese hamster cells 4)-XLF(Xrcc4-like
factor)复合体执行连接功能 [10] (图 1)。Ku、DNA-
PKcs、Ligase IV、XRCC4及 XLF组成 NHEJ核心
蛋白 [12]。其中，Ku在最开始的识别及招募过程中
的作用较为明确，下游的一系列加工和连接没有明
确的顺序，是一个反复进行的过程 [10]。
2　NHEJ的主要参与蛋白
2.1　DNA-PK复合体
2.1.1　Ku
Ku是 Ku70和 Ku80组成的异二聚体，根据来
源患者的姓名 (首字母 K.U.)及蛋白质的大小 (70
kDa/83 kDa)命名 [13-14]。两个蛋白亚基能自组装形
成稳定的环状二聚体，以套环结构结合 DNA断裂
末端并能向内滑动 [15-17]。在整个细胞周期，Ku能
在双链断裂产生后数秒之内与多种断裂末端 (黏性
末端或平末端 )结合 [18-19]，而且这种结合不依赖于
末端的 DNA序列 [16]。Ku在核内的高表达以及高
DNA亲和性使之成为理想的 DSB感受器，能识别
并结合短至 18 bp的双链 DNA[20]。结合 DNA后，
Ku能在空间上拉近和排列两个断裂末端，并保护
末端免受不必要的加工，比如 Ku能阻止核酸外切
NHEJ过程中，Ku最先识别、结合DSB末端，并招募下游
蛋白。Artemis与DNA-PKcs形成复合体发挥作用，XLF-
XRCC4-Ligase IV在空间上稳定两个断裂末端并由Ligase IV
执行连接功能，单位复合体中三者的比例为2:2:1[2,11]。Ku
下游蛋白的结合及作用没有明确的顺序，是个反复作用的
过程。
图1 NHEJ的基本过程
maintenance of genome stability. Research on the mechanism of NHEJ will shed light on the mechanism of
oncogenesis so as to develop better strategies for cancer therapy.
Key words: double-strand break; nonhomologous end joining; Ku; DNA-PKcs; ligase IV; XRCC4; XLF
严振鑫，等：DNA双链断裂的非同源末端连接修复第11期 1159
酶 (exonuclease 1, Exo1)与 DNA末端结合 [15,21-23]。
由于 Ku直接与所有 NHEJ核心蛋白及大多数 DNA
末端加工蛋白互作，在结合 DNA后，Ku可作为
NHEJ的枢纽，招募其他修复蛋白并提供作用的平
台 [10]。值得注意的是，Ku还能作为裂合酶直接加
工 DNA末端 (见下文 ) [24]。缺失 Ku70或 Ku80的
细胞或小鼠都对 DSB更敏感，缺失小鼠有严重免
疫缺陷且容易产生淋巴瘤 [25-27]。另外，Ku还参与
转录调控和细胞凋亡的抑制，这些功能可能独立于
Ku在 NHEJ中的作用 [17]。
2.1.2　DNA-PKcs
DNA-PKcs属于 PIKK(phosphatidylinositol-3 (PI-
3) kinase-like kinase)家族，是生物体内最大的激酶
(469 kDa)，也是唯一通过与 DNA末端结合而激活
活性的激酶 [20,28-29]。DNA-PKcs的 N端部分形成一
个开环状的“钳子”结构，为 DNA提供了结合通
道 [30-31]。Ku识别 DNA后，迅速招募 DNA-PKcs至
断裂末端，二者与双链 DNA结合形成 DNA-PK复
合体 [32]。与此同时，Ku由 DNA末端向内移动，
DNA-PKcs的 C端发生构象改变并激活其激酶活
性 [33-34]。结合后 DNA-PKcs与 Ku一起稳定两个断
裂末端并阻断核酸酶、聚合酶与 DNA 末端的结
合 [21,35]。DNA-PKcs可在体外磷酸化 Ku、XRCC4、
Ligase IV、XLF及其他许多 NHEJ相关蛋白，但这
些磷酸化作用并非 NHEJ所必需 [10]。最近发现 DNA-
PKcs对WRN (Werner)的磷酸化可促进 NHEJ [36]。
值得注意的是，DNA-PKcs的自磷酸化或被 ATM、
ATR磷酸化可调控 NHEJ [37-40]。比如，第 2609位
苏氨酸及附近位点丝氨酸 /苏氨酸的磷酸化促进它
与 Ku分离并从 DNA末端释放 [41-42]，同时能磷酸化
并结合Artemis，促进后者的核酸酶活性 (见下文 )[43]。
2.2　Ligase IV-XRCC4-XLF复合体
2.2.1　XRCC4-Ligase IV复合体
NHEJ最终需要通过 DNA Ligase IV完成连接
反应。Ligase IV包括 N端的催化结构域和 C端的
两个串联BRCT (breast cancer associated carboxy-terminal)
结构域 [44]。没有 XRCC4参与时，Ligase IV能连接
DNA单链上的缺口，也可连接互补的双链突出末
端 (4个核苷酸 )[45]。在 XRCC4参与下，Ligase IV
能连接含有 2 bp微同源序列以及 1个核苷酸缺失的
末端，Ku 的参与能大大增强连接效率并能连接
非互补的末端 [46]。XRCC4-Ligase IV可以在双链
断裂的一条链不适合连接时只连接另一条链 [46]。
XRCC4-Ligase IV还可招募各种 DNA末端加工蛋
白，起和 Ku类似的枢纽和支架作用。
2.2.2　XRCC4-XLF纤维束
XLF (也叫 Cernunnos)在 2006年被两个研究
组分别通过酵母双杂交筛选 XRCC4互作蛋白和对
免疫缺陷患者的研究独立发现，是 NHEJ途径核心
蛋白中最近被确定的 [11,47]。XLF下调或缺失会造成
DNA修复缺陷，使细胞对辐射及抗癌药物敏感 [11,48]。
XLF本身不具有酶活性，但它在 DNA断裂末端起
类似支架的作用以稳定 Ligase IV-XRCC4，并通过
重新腺苷酸化 Ligase IV促进 DNA末端，特别是错
配末端的连接 [49-51]。晶体学及电镜的研究发现 XLF
与 XRCC4形成螺旋的纤维状结构，并能进一步组
装成有弹性的束状多聚体结构 [52-55]。螺旋结构提供
了带正电荷的凹槽以结合DNA并排列断裂末端 [54]。
值得注意的是，DNA以左手螺旋的形式缠绕在核
小体的外侧的组蛋白上，XLF-XRCC4细丝也是左
手螺旋，所以后者可能在核小体解聚后稳定 DNA
链 [56]。DNA-PKcs的磷酸化作用及 Ligase IV均可
以使纤维解聚，可能调控了纤维的动态组装 [57-58]。
Ligase IV的 BRCT结构域与 XRCC4潜在的四聚化
区域部分重叠，所以纤维的组装可能依赖于
XRCC4的四聚化 [53,59]，也可能是 Ligase IV的催化
结构域限制了 XLF与 XRCC4的结合 [58]。
2.3　DNA断裂末端加工蛋白
连接反应的前提是 DNA末端为可连接的 5′-
磷酸 (5′-P)、3′-羟基 (3′-OH)的结构 [6]。IR等损伤
造成的 DSB末端通常不是可连接结构。DSB末端
附近的碱基缺失也会阻断连接。细胞中存在诸多蛋
白质负责将断裂末端加工成可连接的形式，同时核
酸酶负责切割损伤 DNA，聚合酶负责加入新核苷
酸。这些蛋白质通常由 Ku或 XRCC4招募 [10,56,60]。
2.3.1　APTX、PNKP、APLF
APTX、PNKP、APLF这三个蛋白质同时参与
碱基切除修复 (base excision repair, BER)及单链断
裂修复 (single strand break repair, SSBR)过程 [6]。三
者均具有N端 FHA(Forkhead associated)结构域，能与
XRCC4结合 (参与BER及SSBR时结合XRCC1) [60-61]。
中断的 Ligase IV连接反应可使 DNA 5′末端腺苷酰
化，APTX(Aprataxin)可移除腺苷酸并重新起始连
接过程 [62]。IR及 ROS可造成无法直接连接的 5′-
羟基、3′-磷酸断裂末端， PNKP (polynucleotide kinase/
phosphatase)的激酶结构域能磷酸化 5′末端，其磷
酸酶结构域则能移除 3′末端的磷酸，由此产生适
合连接的末端结构 [63]。APLF (Aprataxin and PNKP-
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like factor)可作为内切酶和 3′外切酶加工断裂末端，
还可识别断裂附近被多聚 ADP-核糖 (poly ADP-
ribose)修饰的染色质，与 Ku、XRCC4一起稳定修
复结构 [6,64]。
2.3.2　Ku
IR可在 DSB末端产生碱基缺失位点，包括 5′
脱氧核糖 -5- 磷酸 (5′ deoxyribose-5-phosphate, 5′-
dRP)和末端附近的碱基缺失 (apurinic/apyrimidinic,
AP)。该结构也是 BER修复的中间产物，可在 BER
中断的时候积累，常见于免疫球蛋白的CSR过程 [65]。
最新发现 Ku具有 5′-dRP/AP裂合酶活性，可在缺
失位点的 3′一侧进行切除 [24]。
2.3.3　酪氨酰 DNA磷酸二酯酶(Tdp1、Tdp2)
拓扑异构酶 (Topoisomerases，包括 Top I和 Top
II)通过切割 -连接交替进行以打开 DNA超螺旋结
构，使 DNA复制和转录过程得以进行。切割后，
拓扑异构酶上的酪氨酸与切割位点 3′-或 5′-磷酸共
价结合 (分别对应 Top I、Top II)，形成 DNA-Top I/
II复合物 [66]。拓扑异构酶的抑制剂可抑制连接反应
而积累共价连接中间产物 [67]。酪氨酰 DNA磷酸二
酯酶 (tyrosyl DNA phosphodiesterases)包括 Tdp1和
Tdp2，二者可分别移除与 3′/5′-磷酸连接的 Top I/
II [68-69]。TdpI还可移除其他 3′-磷酸结构，包括 IR
后常见的 3′-磷酸乙醇酸 [70]。
2.3.4　核酸酶(Artemis、Metnase、WRN、Mre11)
参与 DSB末端加工的蛋白质大多具有多种功
能。Artemis本身具有 5′→3′外切酶活性，与 DNA-
PKcs形成复合体并被后者磷酸化后可获得内切酶
活性，能切割突出末端以及 V(D)J重组过程形成的
发夹结构 [43]。 Artemis倾向于将 5′突出切割为平末
端，将 3′突出切割为带 4个核苷酸的 3′突出。
Artemis还能移除 3′-磷酸乙醇酸 [71]。Artemis缺失
会引起辐射敏感性重症联合免疫缺陷 (radiosensitive
severe combined immune deficiency, RS-SCID)[43]。仅
存在于灵长类动物的Metnase具有内切酶和甲基转
移酶活性，可切割单链 DNA及单双链 DNA连接处，
但在 NHEJ中的效率不如 Artemis[72]。WRN具有
3′→5′外切酶和解旋酶活性，与 Ku及 XRCC4结合
可激活其外切酶活性 [73]。此外，DNA损伤应答的
经典蛋白 Mre11 (Meiotic recombination 11)也作为
3′→5′外切酶及内切酶参与 NHEJ [74]。
2.3.5　聚合酶X家族(Polλ、Polμ、TdT)
NHEJ中在缺口处合成互补链的功能由聚合酶
X家族执行，包括Polλ(polymerases λ)、Polμ (polymerases
μ)和 TdT (terminal deoxynucleotidyl transferase)[75]。三
者对模板链的依赖性、序列互补性的需求依次降低：
Polλ的合成功能高度依赖模板链，需要引物与模板
链互补；TdT完全独立于模板链，不需要碱基配对；
Polμ既能依赖也能不依赖模板链进行合成，能使用
另一断裂末端作为模板选择加入互补的碱基 [12,76]。
结构上，三者的 N端均具有 BRCT结构域，能与
Ku及 XRCC4-Ligase IV形成复合体 [77]。三者独立
的合成都不具有校正功能而容易出错，然而当存在
Ku和XRCC4-Ligase IV时，Polλ能进行精确的合成，
Polμ则能以不连续链为模板进行跨损伤合成 [76-78]。
TdT仅存在于早期分化阶段的 B/T淋巴细胞中，所
以只参与 V(D)J重组过程的 NHEJ[79]。
3　NHEJ修复策略及其选择
3.1　试错循环式修复策略
DSB末端通常需要经过加工。单次加工即产
生可连接末端的概率较低，所以 NHEJ可能包含“尝
试连接 -加工 -再尝试连接 (-再加工 )”的反复循
环过程 [6,80]。循环的终止有多种情况。首先，带 5′-P、
3′-OH的末端被直接连接即可跳出循环。同时，由
于 Ligase IV在 XRCC4-XLF和 Ku的参与下能连接
非互补末端 (低保真性、容错性 )，包含错配的末
端可能被连接，循环同样终止，其中的碱基错配可
由 BER进一步修复 [12]。此外，循环可在未完成连
接的情况下终止：当有限次数的加工失败后，末端
可进行持续切割，同时MRN (Mre11/Rad50/NBS1)、
Exo1促使 Ku从末端释放，产生长片段的 3′突出
DNA并由 aNHEJ或 HR接管修复过程 [8,81]。
3.2　顺序选择与随机选择
由于末端加工蛋白底物的重叠性 (如外切酶和
内切酶 )，相同末端能由不同的酶加工，NHEJ应
如何在这些酶中选择，如何在切割以及跨损伤合
成 (Polμ)中选择。修复可能按以下顺序进行：首先
尝试不经加工直接连接；其次考虑引入 APTX 、
Tdp1/2移除损伤碱基，引入 Ku移除碱基缺失核苷
酸后尝试连接或跨损伤合成；最后考虑招募外切酶、
内切酶进行多碱基甚至大片段的切除后再进行连
接。这种选择顺序被认为能最大限度保留现有的碱
基序列 (遗传信息 )[12]。其他解释是加工蛋白通过
一种随机的方式选择，加工蛋白在 DSB附近的丰
度或对底物 (断裂末端 )的亲和性能影响这种随机
性 [12]。此外，也可能在 NHEJ中起枢纽作用的 Ku、
XRCC4根据特定末端结构招募特定的加工蛋白，
严振鑫，等：DNA双链断裂的非同源末端连接修复第11期 1161
这需要更多的研究证据。
4　程序性DSB及NHEJ
4.1　V(D)J重组
V(D)J重组和 CSR都是生理的、程序性的
DSB发生及 NHEJ修复过程，二者均促进产生抗原
受体基因的多样性 [6]。V(D)J重组仅存在于早期的
B细胞和 T细胞中，该过程可分为断裂阶段和修复
阶段。首先，淋巴细胞特异的 RAG1/2 (recombination
activating gene 1/2)复合体识别基因组上两个间隔的
重组信号序列 (recombination signal sequences, RSS)
并在两个 RSS序列的外侧进行切割。两个 RSS外
侧的序列称为编码末端，断裂时产生发夹结构。修
复阶段始于 Artemis-DNA-PKcs复合体打开发夹结
构，随后两个编码末端被加工并连接，断裂的染色
体得以重新连接 [43]。两个 RSS之间的序列称作信
号序列，可不依赖 Artemis被 NHEJ连接成环 [1]。
4.2　类别转换重组(CSR)
经过 V(D)J重组的成熟 B细胞在抗原刺激下
发生 CSR，通过切割和重新连接来重新排列免疫球
蛋白重链基因，并伴随大片段 DNA删除 [82]。B细
胞特异的胞嘧啶脱氨酶 (activation-induced cytidine
deaminase, AID)分别在两个间隔的 S (switch)区将
胞嘧啶 (C)转化为尿嘧啶 (U)，接着 UNG (uracil
DNA glycosylase) 将 U 切除，随后 APE (apurinic/
apyrimidinic endonuclease)切割该碱基缺失位点产
生单链断裂，两条链上的两个断裂位点靠近时即可
产生 DSB(可能有错配修复途径参与其中 )[83]。上
下游 S区经 NHEJ相连后即产生删除型重组，使可
变区的 V(D)J片段与下游编码 IgG、IgA或 IgE的
不同恒定区外显子连接，由此产生不同抗体类型。
若 AID发生脱靶效应 (识别非 S区 )，可产生损伤
性 DSB，容易造成染色体异位 [82]。
5　aNHEJ/Backup-NHEJ/MMEJ
除了依赖于 Ku70/80的经典的 NHEJ (classical/
canonical-NHEJ, cNHEJ)外，细胞中还存在不依赖
于 Ku70/80的其他 NHEJ 途径，称为替代 NHEJ
(aNHEJ)或备用 NHEJ (backup NHEJ)。目前并不清
楚 aNHEJ只包括一种途径，还是多种途径。微同
源末端连接 (microhomology-mediated end joining,
MMEJ) 是相对比较清楚的一种 aNHEJ [3,7]。与
cNHEJ相比，MMEJ有三个特点。第一，可不依赖
经典 NHEJ修复蛋白，比如修复过程可不依赖 Ku，
又比如 Ligase III/ I替代 Ligase IV执行连接。第二，
修复结果含更多错误，如长片段删除，且产生更多
的染色体异位 [84]。第三，依赖于短序列的同源性，
这可由核酸酶切割或 Polμ跨损伤修复产生，微同
源性也是其不依赖经典 NHEJ蛋白的结构基础 [1]。
此外，HR途径的经典蛋白 MRN复合体及 CtIP
(CtBP-interacting protein)能促进 MMEJ [7]。最初认
为MMEJ为 cNHEJ的补充形式且仅在缺失 cNHEJ
时进行，随后发现 MMEJ能以较低比例与 cNHEJ
同时存在 [85]。关于 MMEJ只是 NHEJ的一种特殊
形式，还是独立于 cNHEJ的新途径，目前还存在
争议。
6　NHEJ的进化
由于大肠杆菌无法重新连接线性化的质粒，最
初认为原核生物不存在 NHEJ[2]。但随后在细菌基
因组中发现Ku的同源基因，暗示了NHEJ的存在 [86]。
Ku在细菌中的同源蛋白也是环状的异源二聚体结
构 [87]。细菌中依赖 ATP的连接酶称为 LigD，包含
一个聚合酶结构域、一个磷酸酯酶结构域及一个连
接酶结构域 [88]。繁殖迅速的细菌因为复制基因组
的存在而通常采取 HR修复，NHEJ则多存在于细
胞静息周期长的特别是能产生芽孢的细菌中 [1]。酵
母相对于哺乳动物更多地采用 HR修复，NHEJ所
占比例较小 [1]。酵母的 NHEJ系统不存在 DNA-
PKcs及Artemis，出芽酵母中的MRX复合体 (Mre11-
Rad50-Xrs2，对应哺乳动物MRN)协助 Ku及 Ligase
IV进行 NHEJ [3]。酵母中很少连接平末端，而是更
多地依赖末端微同源性进行修复，且同样存在
aNHEJ [89]。
7　NHEJ与HR
由于本系列中有文章专门对此进行讨论，这里
只作简要介绍。HR修复精确，但进行的门槛高 (存
在相同染色体 )，NHEJ修复易错，相对于 HR容易
发生且修复范围广 (底物灵活 )。对二者的调控可
分为三个层面。第一，细胞类型层面：不分裂的细
胞 (G0期 )不存在复制的染色体，所以 NHEJ是唯
一选择，而减数分裂细胞中的 DSB可能仅由 HR
修复 [1,90]；第二，细胞周期层面：最近发现 53BP1
(p53-binding protein 1)-Rif1 (Rap1-interacting factor 1)
与 Brca1 (Breast cancer 1)-CtIP相互拮抗，组成依赖
于细胞周期的调节回路，分别在 G1期和 S/G2期将
修复导向 NHEJ和 HR[91]。第三，底物竞争层面：
生命科学 第26卷1162
Ku与MRN能竞争性结合 DSB末端，Ligase IV复
合体可抑制 HR发生所必需的末端切割 [81,92]。此外，
二者还存在协作，上文提到 Ligase IV尝试连接失
败后，可由MRN将修复导向 HR，结果将 G1期的
损伤积累至 S/G2期修复 [8,81]。两种途径分工合作，
共同维护基因组的稳定性。
8　讨论及研究展望
8.1　修复途径的交叉
底物的重叠、酶的重叠说明 NHEJ与 BER、
SSBR及 aNHEJ存在广泛的交叉 [6]。这使相同的末
端结构存在多种修复方式，也增加了修复方式及连
接产物的不确定性。这些途径可能具有互相补充的
功能，能在一种途径无法正常进行的情况下选择其
他途径，也可能仅仅是功能冗余。相同底物结构下
如何在不同修复途径中做出选择，途径交叉能否作
为进化上的选择优势，这些问题还有待进一步研究。
8.2　修复蛋白的多功能性
末端加工蛋白多具有双重甚至多重功能，如
Artemis (内切酶和外切酶 )、Metnase (内切酶和甲
基转移酶 )和 PNKP (激酶和磷酸化酶 )。两种功能
之间是否互相排斥或合作？这可能是染色体异位的
随机结果，但这种组合的选择优势还不清楚。
8.3　V(D)J重组/CSR系统
一方面，这是研究 NHEJ的强大系统。NHEJ
缺陷可造成免疫缺陷，所以对免疫缺陷小鼠或患者
进行遗传分析可以鉴定出 NHEJ中的新蛋白质，
Artemis、XLF就通过这种方法被发现 [47,93]。明确的
断裂位点还提供了一个研究同一底物条件下产物多
样性的体内系统 [1]。基于 V(D)J重组原理设计的
V(D)J重组质粒系统则可帮助确认特定蛋白在
NHEJ中的作用 [94]。另一方面，对 NHEJ的研究将
有助于理解相关免疫缺陷以及淋巴瘤的发生机制，
研究开发新的治疗手段。通过恢复病变细胞正常
NHEJ功能克服免疫缺陷，通过阻断癌细胞的 NHEJ
杀死癌细胞以清除淋巴瘤。
8.4　修复网络的构建
在酵母中，已有根据大规模双基因敲除菌株
的耐药性确定基因间两两相互作用并构建 DNA损
伤应答 (DNA damage response, DDR)及修复网络的
研究 [95]。类似地，在人细胞中也有通过大规模小
RNA干扰 (siRNA)敲低已知 DDR基因，并检测双
敲除细胞的 IR敏感性来确定两个蛋白质的互作并
最终构建 DDR网络的研究 [96]。更多的筛选还在进
行。此外，修复网络还可通过高通量的蛋白质互作
(酵母双杂交、免疫共沉淀 )实验构建。随着高通
量筛选效率的增加及成本的降低，结合现有的实验
及临床数据进行生物信息分析，将加快完善不同损
伤刺激下 DDR及修复网络的构建。
8.5　其他问题
DNA-PKcs对 NHEJ核心蛋白磷酸化的作用是
什么？ DDR与 NHEJ修复是如何联系的？如何判
断一段序列是 NHEJ的精确修复产物还是未经历
DSB损伤？核小体、染色质行为如何促进或抑制
NHEJ，如何调控 DNA复制、转录及修复过程以避
免互相干扰？不同染色体间的 DSB在什么情况下
互相连接在一起？这些都是值得探究的问题。
[参　考　文　献]
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