全 文 ：第26卷 第11期
2014年11月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 26, No. 11
Nov., 2014
文章编号：1004-0374(2014)11-1172-04
DOI: 10.13376/j.cbls/2014166
收稿日期：2014-10-08
*通信作者：E-mail: congliu@scu.edu.cn (刘聪)；tom1989ul@163.com (曾鸣)
DNA双链断裂修复的选择性调控机制
唐子执，刘　聪*，曾　鸣*
(四川大学华西第二医院，成都 610041)
摘　要：在各种 DNA损伤中，DNA双链断裂 (double-strand break, DSB)是最为严重的一种，快速准确地
修复 DSB对维持基因组稳定性起着至关重要的作用。真核生物细胞通过一系列复杂的信号转导途径激活对
DSB的修复，其中最为重要的是同源重组和非同源末端连接机制。最近的研究表明，这两种方式在 DSB
修复的早期是相互竞争的关系，其选择在很大程度上受到 53BP1及同源蛋白质的调控。将讨论 53BP1作为
DSB修复途径的核心因子，在染色质水平整合 BRCA1、CtIP等修复因子和多种组蛋白修饰构成的信号途径，
介导同源重组和非同源末端连接通路选择的分子机制。
关键词：DNA双链断裂；53BP1；同源重组；非同源末端连接
中图分类号：Q343 文献标志码：A
Pathway choice for DNA double-strand break repair
TANG Zi-Zhi, LIU CONG*, ZENG Ming*
(West China Womens & Childrens Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, China)
Abstract: Double-strand break (DSB) is the most serious one in all kinds of DNA damage. Rapid repair of DSB is
essential for genome stability. In eukaryotic cells, DSB repair is activated via a series of signal transduction, and
homologous recombination and non-homologous end joining are most important. Recent research shows that the
two pathways are competitive at the early period of DSB repair, the choice between them is largely regulated by
53BP1 and its homologous proteins. This review will discuss the novel mechanism that 53BP1, as a key factor in
DSB repair, integrates the signal pathway including BRCA1/CtIP and multiple histone modifications, thereby
regulating the choice between homologous recombination and non-homologous end joining.
Key words: DNA double-strand break; 53BP1; homologous recombination; non-homologous end joining
刘聪，四川大学特聘教授，华西第二医院基因组稳定性实验室主任，
教育部新世纪人才。多年来从事 DNA损伤应答的分子机制的研究，在
Genes Dev、EMBO J 和 J Neurosci等杂志上发表论文近 20篇。近来发现泛
素连接酶 CRL4在染色质重塑、同源重组和乙肝相关肝癌发生过程中的重
要作用。研究方向：主要结合裂殖酵母、动物细胞和临床标本研究细胞基
因组损伤后的细胞应答、基因组不稳定性相关疾病以及肿瘤放化疗致敏
机制。
刘　聪　教授
唐子执，等：DNA双链断裂修复的选择性调控机制第11期 1173
基因组 DNA作为真核生物最重要的遗传物质，
其分子结构的完整和稳定性对细胞的存活及行使正
常生理功能具有决定性作用。DNA的化学结构频
繁受到各种外源及内源性毒理因子的攻击，改变遗
传信息的高保真传递过程，破坏基因组的稳定性。
在各种 DNA损伤中，DNA双链断裂 (DSB)是最为
严重的一种，它可以触发细胞永久性的生长停滞或
细胞死亡 [1-2]。真核生物细胞通过一系列复杂的信
号转导通路激活 DNA损伤检验点，向 DNA断裂
位点招募损伤修复蛋白质，消除 DNA损伤对基因
组稳定性的破坏作用。这些发生在 DNA和染色质
水平的级联信号传递反应构成了 DSB应答机制 [3-4]。
同源重组 (homologous recombination, HR)和非
同源末端连接 (non-homologous end joining, NHEJ)
是 DSB应答机制中两条重要的修复通路。前者需
要基因组同源序列作为模板进行配对修复，其修复
过程的早期需要形成单链 DNA(ssDNA)以完成同源
序列的搜寻和链侵入；而后者则是直接将 DNA断
裂端通过形成触点 (synapse)和 DNA连接酶 4的连
接反应完成 [5-6]。在整个细胞周期中，HR和 NHEJ
的功能被严密地调控，这两种修复途径之间的适
当选择对于 DSB修复和维持基因组稳定性至关重
要 [5-8]。最近的研究表明，从酵母到哺乳动物细胞，
同源重组和非同源末端连接通路存在直接的竞争关
系，调控这种通路选择的分子机制在进化中高度
保守。
1　53BP1在DSB修复通路选择性机制中的作用
最近研究表明，p53结合蛋白 53BP1是参与损
伤修复的核心蛋白因子，能够整合 DSB修复蛋白
质群和组蛋白修饰在染色质水平的交互调节机制，
对于 DSB修复通路的选择极为重要 [3,7-8]。53BP1蛋
白由 1 972个氨基酸残基组成，具有多个能与 DSB
修复机制相关蛋白进行结合的结构域及重要的磷酸
化位点，如 BRCA1羧基端结构域 (BRCT)及 N端
附近 28个丝氨酸或苏氨酸磷酸化簇。53BP1在
DSB修复中充当重要的分子支架，招募与 DSB相
关修复蛋白到损伤位点 [9]。这是 53BP1参与修复途
径选择的重要分子基础 [4,9]。
目前关于 53BP1如何精确调节 NHEJ及 HR两
种修复途径选择的机制尚未定论，但普遍认为这种
机制与 53BP1通过保护 DSB断裂处不受到 DNA 末
端切割机制的作用，避免 3′端 ssDNA的产生，从
而抑制 HR修复途径有关 [10]。更为重要的是，53BP1
介导的通路选择与乳腺癌基因编码的蛋白 BRCA1
密切相关。目前对于 53BP1及 BRCA1如何调节
HR和 NHEJ两种修复通路选择的具体机制的解释，
较为公认的一种理论认为当 DSB形成时，首先通
过由 MRE11、RAD50、NBS1 蛋白共同组成的
MRN复合体结合在断裂点，CtIP蛋白随之与MRN
结合，并产生乙酰化位点，促进 53BP1在断裂点结
合 Lys15位点被泛素化的组蛋白 H2A，同时与组蛋
白 H4被双甲基化的 Lys20残基结合，在同一核小
体上形成 53BP1-H2A-H4的镜像二聚体 [11-12]。该二
聚体形成之后，53BP1的N端形成Ser/Thr磷酸化簇，
与 PTIP及 RIF1直接或间接结合，将其招募至染色
质上。一旦这种 53BP1-PTIP-RIF1蛋白质复合体稳
定形成，将保护断裂点不会被外切酶切割形成
ssDNA，从而促使修复途径进入 NHEJ [10,13-14]。而
在另一种情况下，SIRT6蛋白将 CtIP蛋白上乙酰化
位点去除，CtIP在细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK)
作用下产生多个磷酸化位点并与 BRCA1结合，阻
碍 53BP1-PTIP-RIF1复合物与染色质的结合，同时
组蛋白 H4的 Lys16在 KAT5的作用下被乙酰化，
使 53BP1更难以与组蛋白H4结合形成镜像二聚体，
进一步抑制了 53BP1在断裂位点处的富集，因此使
得修复机制进入 HR途径 [10,15]。由此可见，BRCA1
可以竞争性地抑制 53BP1与断裂位点区域的结合，
使修复途径偏向于 HR途径，其深层次的分子机
制是二者对损伤位点上募集的 CtIP等修复因子和
组蛋白修饰的竞争性结合决定了 DSB修复途径的
选择。
英国萨塞克斯大学的 Jeggo课题组对 53BP1及
BRCA1 在修复途径中的选择机制提出了新的理
论 [16]。通过观察比较 53BP1在不同条件下的放射
线诱导的灶点 (IRIF)体积及形态变化，该理论提出
一种解释：53BP1结合在 DSB位点之后，通过
BRCA1和 POH1去泛素化酶共同作用，使 53BP1
二聚体与 RPA80共同形成的复合物构象发生变化，
与染色体的结合变得松动，从而脱离结合位点，使
得断裂位点暴露，促进 5′→3′的切除反应进行，促
使修复过程进入 HR途径。在缺乏 BRCA1时，
53BP1与 RPA80在断裂处形成的复合物不能从
DSB位点上脱离，因此，修复过程将进入 NHEJ通
路。该理论很好地解释了 53BP1在不同条件下的
IRIF体积及形态变化，但是对于 BRCA1是如何与
POH1协同作用使 53BP1-RPA80复合物脱离结合位
点，仍然需要更多深入研究。
生命科学 第26卷1174
在以上模型中，仍然存在许多问题无法解释。
例如，RIF1如何与 53BP1的磷酸化位点结合；与
CtIP结合后的 BRCA1是通过什么途径阻碍 53BP1-
PTIP/RIF1复合物募集到染色体上。这些重要机制
仍待进一步的研究。
2　染色质重塑涉及DSB修复通路的选择
在染色质水平上，关于 53BP1对 HR和 NHEJ
选择作用的认识也在进一步加深。目前为止，利用
遗传学或体外生化反应针对 DSB回切所需核酸酶
的研究较为深入，但是，考虑到体内 DNA双链由
组蛋白紧密包裹为核小体而非裸露状态，单纯的核
酸酶模型不能反应体内 DSB回切的真实情况。因
此，探寻核酸酶如何在染色质状态下迁移数十 kb
进行 DNA链解反应是目前表观遗传学和 DNA损
伤领域的一个重要问题。最近，有实验室在芽殖酵
母中发现，依赖于染色质重塑因子 Fun30的染色质
修饰对同源重组修复过程所必需的 ssDNA的形成
有直接的促进作用 [17-18]。DNA损伤后，Fun30迅
速结合到 DSB 位点，调控 Exo1 和 BLM1Sgs1 在
DSB的定向招募，从而促进长距离 5′→3′回切过程；
在 Fun30缺失的细胞中，ssDNA形成所需的核酸
酶不能有效招募，DSB断端不能形成足够长的
ssDNA，导致同源重组修复因子，如 Rad51等都不
能及时地结合上 DSB[18]。有意思的是，Fun30的实
际功能是促进 ssDNA向远处延伸，而不是启动
MRN等核酸酶对 DSB末端的切割，DSB周围的
ssDNA形成实际上并不受影响。造成这种同源重
组修复缺陷的原因是在 Fun30 缺陷的情况下，
53BP1同源蛋白 Rad953BP1在 DSB位点过度富集，
导致核酸酶不能有效招募以形成足够长度的 ssD-
NA[19]。Fun30的机制研究揭示了染色质修饰对
DSB修复的重要调控作用，是表观遗传机制调控
同源重组修复的重要突破。该研究还说明，DSB
的早期处理加工和通路选择是以 53BP1为核心的
一系列修复蛋白在 DSB位点竞争结合，进而调控
剪切 DNA的核酸酶和染色质重塑共同作用的结果
(图 1)。
核酸酶MRN复合体和Ctp1对DSB末端进行短距离加工，而Exo1/Rqh1-Dna2则具有长距离核酸降解的能力。在染色质状态
下，染色质重塑因子对核酸酶介入、53BP1介导的选择机制的完成起着重要的作用。
图1 DNA双链断裂的早期处理过程，经典的核酸酶模型(左)和染色质重塑模型的比较(右)
唐子执，等：DNA双链断裂修复的选择性调控机制第11期 1175
最近，我们实验室利用裂殖酵母作为研究对象，
发现组蛋白 H2B的单泛素化也可以抑制 NHEJ，促
进 HR (文章投稿中 )。调控 DSB附近 H2B单泛素
化的关键蛋白质是我们新鉴定的染色质重塑因子
CRL4Wdr70。在 CRL4Wdr70或 H2B单泛素化缺失的情
况下，53BP1同源蛋白 Crb253BP1过度招募到 DNA
双链断裂位点，特异性地抑制长距离核酸外切酶
Exo1对 DSB附近 DNA的加工，从而阻碍 ssDNA
的形成和同源重组的进行。CRL4Wdr70的这种功能似
乎在高等生物中是保守的。我们进一步对乙肝病毒
(HBV)的研究发现，乙肝病毒编码的癌基因 HBx
干扰 CRL4Wdr70泛素酶复合体的组装，从而强烈地
抑制该酶介导的 H2B单泛素化、复制蛋白 RPA和
RAD51招募等同源重组的核心分子事件，从而阻
碍 HBV宿主细胞染色质重塑机制和 DNA损伤修复
的进行。更有意义的是，过表达 CRL4Wdr70可以有
效地在裸鼠体内抑制 HBV阳性细胞系的肿瘤形成，
证明该泛素酶是一个乙肝相关肝癌的有效抑制因
子。鉴于中国人群中原发性肝癌患者的 90%以上
为乙肝病毒携带者，我们的工作可能回答了一个长
期悬而未决的临床问题，即为什么 HBV是原发性
肝癌最重要的致癌因素之一。
总之，DSB的有效修复对维持细胞正常生理
活动具有重要意义。在真核生物的进化过程中，
53BP1扮演了核心的角色，对 HR和 NHEJ通路进
行严密的选择性调控，促使 DNA修复因子和组蛋
白修饰等染色质水平上的分子事件有条不紊地进
行，保证了遗传信息的高保真传递及基因组的稳定
性 [20]。
[参　考　文　献]
[1] Bennett CB, Lewis AL, Baldwin KK, et al. Lethality
induced by a single site-specific double-strand break in a
dispensable yeast plasmid. Proc Natl Acad Sci USA, 1993,
90(12): 5613-7
[2] Sandell LL, Zakian VA. Loss of a yeast telomere: arrest,
recovery, and chromosome loss. Cell, 1993, 75(4): 729-39
[3] Panier S, Boulton SJ. Double-strand break repair:
53BP1 comes into focus. Nat Rev Mol Cell Biol, 2014,
15(1): 7-18
[4] Panier S, Ichijima Y, Fradet-Turcotte A, et al. Tandem
protein interaction modules organize the ubiquitin-
dependent response to DNA double-strand breaks. Mol
Cell, 2012, 47(3): 383-95
[5] Lieber MR. The mechanism of double-strand DNA break
repair by the nonhomologous DNA end-joining pathway.
Annu Rev Biochem, 2010, 79: 181-211
[6] Heyer WD, Ehmsen KT, Liu J. Regulation of homologous
recombination in eukaryotes. Annu Rev Genet, 2010, 44:
113-39
[7] Daley JM, Sung P. 53BP1, BRCA1, and the choice
between recombination and end joining at DNA double-
strand breaks. Mol Cell Biol, 2014, 34(8): 1380-8
[8] Chapman JR, Sossick AJ, Boulton SJ, et al. BRCA1-
associated exclusion of 53BP1 from DNA damage sites
underlies temporal control of DNA repair. J Cell Sci,
2012, 125(Pt 15): 3529-34
[9] Panier S, Durocher D. Push back to respond better:
regulatory inhibition of the DNA double strand break
response. Nat Rev Mol Cell Biol, 2013, 14(10): 661-72
[10] Tang J, Cho NW, Cui G, et al. Acetylation limits 53BP1
association with damaged chromatin to promote homo-
logous recombination. Nat Struct Mol Biol, 2013, 20(3):
317-25
[11] Gatti M, Pinato S, Maspero E, et al. A novel ubiquitin
mark at the N-terminal tail of histone H2As targeted by
RNF168 ubiquitin ligase. Cell Cycle, 2012, 11(13): 2538-
44
[12] Mattiroli F, Vissers JH, van Dijk WJ, et al. RNF168 ubiquitinates
K13-15 on H2A/H2AX to drive DNA damage signaling.
Cell, 2012, 150(6): 1182-95
[13] Chapman JR, Barral P, Vannier JB, et al. RIF1 is essential
for 53BP1-dependent nonhomologous end joining and
suppression of DNA double-strand break resection.
Mol Cell, 2013, 49(5): 858-71
[14] Zimmermann M, Lottersberger F, Buonomo SB, et al.
53BP1 regulates repair using rif1 to control 5′ end resection.
Science, 2013, 399(6120): 700-4
[15] Feng L, Fong KW, Wang J, et al. RIF1 counteracts
BRCA1-mediated end resection during DNA repair. J Biol
Chem, 2013, 288(16): 11135-43
[16] Kakarougkas A, Ismail A, Katsuki Y, et al. Co-operation
of BRCA1 and POH1 relieves the barriers posed
by 53BP1 and RAP80 to resection. Nucleic Acids Res,
2013, 41(22): 10298-311
[17] Eapen VV, Sugawara N, Tsabar M, et al. The Saccharomyces
cerevisiae chromatin remodeler Fun30 regulates DNA end
resection and checkpoint deactivation. Mol Cell Biol,
2012, 32(22): 4727-40
[18] Thomas C, Raphaël L, Nozomi T, et al. The yeast Fun30
and human SMARCAD1 chromatin remodelers promote
DNA end resection. Nature, 2012, 489(7417): 581-4
[19] Chen X, Cui D, Papusha A, et al. The Fun30 ATP-
dependent nucleosome remodeler promotes resection of
DNA double-strand break ends. Nature, 2012, 489(7417):
576-80
[20] Escribano-Díaz C, Orthwein A, Fradet-Turcotte A, et al.
A cell cycle-dependent regulatory circuit composed
of 53BP1-RIF1 and BRCA1-CtIP controls DNA repair
pathway choice. Mol Cell, 2013, 49(5): 872-83