全 文 ：第27卷 第10期
2015年10月
Vol. 27, No. 10
Oct., 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2015)10-1237-09
DOI: 10.13376/j.cbls/2015172
收稿日期：2015-04-07； 修回日期：2015-05-25
基金项目：国家重点基础研究发展计划 (“973”
项目)(2012CB947601)；国家自然科学基金面上项
目(31422028，31171137，31271261)；中组部青年
拔尖人才计划项目；江苏省杰出青年科学基金项目
(BK20140041)；江苏省优势学科建设项目(PAPD)
*通信作者：E-mail: 08256@njnu.edu.cn; Tel: 025-
85891870
生物时钟调控DNA损伤反应的研究进展
唐小利，郭志刚，刘　畅*
(南京师范大学生命科学学院江苏省分子医学生物技术重点实验室，南京 210023)
摘　要：随着地球的自转，哺乳动物的许多生理和行为都表现出以 24 h为周期的节律性振荡。生物时钟是
昼夜节律产生的物质基础。在分子水平上，生物时钟由一组高度保守的时钟基因及其编码的蛋白质形成的
转录 -翻译反馈环路组成。它控制着许多生化反应的进行，包括细胞对基因毒性刺激等环境因素的反应。
最近的研究发现，生物时钟在细胞的 DNA损伤反应过程 (包括 DNA修复、DNA损伤检验点以及细胞凋亡 )
中发挥着重要的调控作用。深入了解其中的机制将为治疗相关疾病提供潜在的药物靶点，也可指导开发新
的治疗方案，如时辰疗法。
关键词：生物时钟；DNA损伤反应；时辰疗法
中图分类号：Q344；Q41 文献标志码：A
Advances in the regulation of DNA damage response by the circadian clock
TANG Xiao-Li, GUO Zhi-Gang, LIU Chang*
(Jiangsu Key Laboratory for Molecular and Medical Biotechnology,
College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China)
Abstract: With the rotation of the earth, many physiologies and behaviors of mammals exhibit oscillations with a
period of 24 h. The circadian clock is the basis of these circadian rhythms. At the molecular level, the circadian
clock consists of transcription-translation feedback loops formed by a set of highly conserved circadian genes and
their proteins. It controls many biochemical reactions, including cellular responses to environmental factors such as
genotoxic stimuli. It is recently reported that the circadian clock plays an important role in regulating the cellular
responses to DNA damage including DNA repair, DNA damage checkpoints and apoptosis. A better understanding
of the mechanisms will provide potential drug targets for the related diseases, and also guide development of new
therapeutic regimens such as chronotherapy.
Key words: circadian clock; DNA damage response; chronotherapy
地球 24 h的自转使众多植物和动物处于昼夜
明暗交替的环境中，使其行为和生理活动也相应地
呈现周期性变化，而这种适应性的变化则是由生物
体内的“生物时钟”(circadian clock)所控制的。生
物时钟系统由生物时钟基因和时钟控制基因组成，
维持着生物体正常的行为和生理节律。睡眠、觅食
以及逃避天敌等行为节律有利于动物的生存，体温、
血压、内分泌和代谢等生理节律可预知并适应于环
境的变化，从而维持机体的健康。
最近的研究显示，生物时钟也参与调控 DNA
损伤反应。多种内源或外源性因素皆可诱发细胞的
DNA损伤，包括氧化应激、致瘤突变、基因毒性
应激以及代谢应激等 [1]。为了应对这些危险性因素，
真核生物进化出了 DNA损伤反应，通过感应并传
∙ 评述与综述 ∙
生命科学 第27卷1238
递 DNA损伤信息，使细胞对 DNA损伤做出一系
列反应，最后解决 DNA损伤修复和复制问题 [2-3]。
研究发现，生物时钟与 DNA修复系统存在一定联
系。在小鼠的大脑和肝脏中，UV照射后的核苷酸
切除修复活性呈现出节律性振荡 [4-5]。另外，时钟
元件可作为关键调节子在 DNA损伤反应中发挥特
定作用，如 PER1与 DNA损伤检验点蛋白质复合
物 ATM-Chk2互相作用，调控电离辐射等可导致
DNA双链断裂的因素引起的 DNA损伤 [6]。值得注
意的是，生物时钟对 DNA损伤反应调控作用的失
效可导致基因组不稳定以及肿瘤发生，如时钟基因
Per2纯合突变的小鼠中 cyclin D和 c-Myc的表达失
调，并发生组织增生和淋巴瘤 [7]。然而，在易发癌
症的小鼠，如缺乏肿瘤抑制基因 p53(50%的癌症中
有 p53突变 )的小鼠中，同时缺失时钟基因 Cry，
则可降低由 p53缺乏引起的肿瘤发生率 [8]。由生物
时钟介导的依赖于 p73的细胞凋亡途径的激活可提
高缺乏 p53功能的肿瘤细胞对化疗药物的敏感性 [9]。
因此，本文将阐述生物时钟在 DNA损伤修复、
DNA损伤检验点以及细胞凋亡等 DNA损伤反应过
程中发挥的作用。
1　哺乳动物生物时钟
在哺乳动物中，生物时钟由位于大脑前下丘脑
视交叉上核 (suprachiasmatic nuclei, SCN)的中枢生
物时钟和位于各外周组织器官中的外周生物时钟组
成。SCN是昼夜节律的起搏点，光照是其最主要的
授时信号。哺乳动物通过视网膜接收光信号，并经
视网膜 -下丘脑束 (retinohypothalamic track, RHT)
将信号传送至 SCN，从而引导 SCN的昼夜节律。
SCN除了调节自身节律外，还可以通过神经递质、
体液和内分泌等途径影响外周生物时钟系统，使彼
此保持同步 [10]。外周生物时钟位于肝脏、心脏、肾
脏、肺和皮肤等几乎所有外周器官，它们维持着昼
夜节律并调节组织特异性基因的表达。中枢生物时
钟和外周生物时钟协调运作，使机体的昼夜节律与
环境保持同步，同时保证生命活动和生理状态的实
时协调。
中枢生物时钟与外周生物时钟的分子机制相
似，由至少 10个基因及其编码蛋白质组成的转录 -
翻译反馈回路构成 (图 1)。在主反馈回路中，核心
时钟基因 Clock (大脑中是 Npas2)和 Bmal1编码具
有 bHLH-PAS结构域的蛋白质，形成的 CLOCK
(NPAS2)/BMAL1异二聚体作为正向调节因子，通
过结合 Per (Per1、Per2、Per3)和 Cry (Cry1、Cry2)
基因启动子上的 E-box元件 (5-CACGTG-3)激活其
转录 [11-13]。而起负调节作用的 PER和 CRY蛋白在
细胞质中节律性地积累，形成复合物入核结合
细胞核内，CLOCK/BMAL1异二聚体结合下游基因，如Per、Cry、Rev-erb、Ror启动子上的E-box序列，从而激活它们的转
录。当细胞质中PER、CRY蛋白积累达到临界浓度时，又会进入细胞核抑制CLOCK/BMAL1的转录活性，并降低其自身的表
达。而由激酶(如CK1ε/δ、AMPK)介导的PER和CRY蛋白的降解(图中未描述)将终止其对CLOCK/BMAL1的抑制效应，从而又
开启新的转录循环，该负反馈回路以大约24 h为周期。另一方面，REV-ERB和ROR蛋白入核后，能竞争性地结合Bmal1等核
心钟基因启动子上的RORE序列而调控其转录。
图1 生物时钟核心分子机制
唐小利，等：生物时钟调控DNA损伤反应的研究进展第10期 1239
CLOCK/BMAL1异二聚体，进而周期性地抑制
CLOCK/BMAL1的转录激活活性及其自身的转录。
在持续黑暗的条件下，Cry1/2双敲除小鼠或 Per1/2
双敲除小鼠都表现出节律紊乱 [14-16]，说明这条负反
馈回路对于正常节律的维持尤为重要。有多种调控
机制控制着该反馈回路进行的速度，包括对时钟蛋
白的磷酸化、乙酰化、多聚 ADP核糖化以及泛素
化等翻译后修饰作用 [17-19]。另一条反馈回路涉及核
受体 REV-ERB (α、β)和 ROR (α、β、γ)。这两类核
受体都受到 CLOCK/BMAL1异二聚体的激活，并
竞争性地结合 Bmal1启动子上的 RORE序列，分别
抑制和激活 Bmal1的转录 [20-23]。因此，REV-ERB
与 ROR的竞争决定着 Bmal1的表达水平。另外，
转录共激活因子 PGC-1α既是一个代谢调节因子，
也可通过促进 RORα/γ的活性来激活 Bmal1和 Rev-
erbα的表达 [24]。最后，CLOCK/BMAL1异二聚体
还可通过 E-box元件调控 PAR bZip转录因子 DBP、
TEF和 HLF的节律性表达 [25-26]。这些转录因子又
可形成同聚体或异二聚体，激活下游靶基因 (主要
是参与异源物代谢的基因 )的表达 [27-28]。
生物时钟驱动几乎所有生理过程的昼夜节律，
包括睡眠 -觉醒循环、体温、代谢，以及应激反应
等 [29-31]。另外，细胞周期进程和 DNA损伤反应途
径也受到生物时钟的调控 [32-33]。这些调控作用的破
坏会导致多种病理情况的发生，包括抑郁、睡眠紊
乱、代谢紊乱以及心血管疾病等 [34-36]。现代流行病
学研究显示，经常不规律的工作，如倒班和跨时区
等，会导致生物时钟与外界环境的同步化作用失调，
这与一些疾病，如心血管疾病、糖尿病以及癌症的
发生密切相关 [37-39]。此外，缺失各种生物时钟核心
元件的动物模型已经建立，基于这些模型的实验也
发现了许多基因特异性的病症，包括代谢缺陷、癌
症以及衰老等。在哺乳动物中，生物时钟存在于几
乎所有组织中，从而组织特异性地调控许多生理和
代谢进程。值得注意的是，一些参与细胞周期、
DNA损伤修复以及遗传毒性应激反应的关键调控
因子也受到生物时钟的调控，它们的合成或活性以
节律性的方式振荡，从而控制细胞周期进程并调节
细胞的应激敏感性 [33]。
2　DNA损伤反应
DNA的原始结构经常会遭受内源性的细胞代
谢物以及外源性的 DNA损伤因素的破坏。DNA损
伤反应包括 DNA修复、DNA损伤检验点以及细胞
凋亡 (图 2)，且它们都在一定程度上受到生物时钟
的调控。
哺乳动物的 DNA修复方式有几种，包括碱基
切除修复、核苷酸切除修复、错配修复以及重组 /
交联修复。然而，目前的研究显示，只有核苷酸切
除修复受到生物时钟的直接调控 [4-5,40-41]。在许多生
物包括人类和小鼠中，核苷酸切除修复是识别并修
复大结构 DNA损伤的唯一途径，如紫外线诱发的
环丁烷嘧啶二聚体、药物或致癌物与 DNA形成的
药物 /致癌物 -DNA加合物等 [42]。在人类中，该修
复途径通过 6个核心修复因子协调作用来完成 [43-44]，
包括 RPA、XPA、XPC、TFIIH、XPG，以及 XPF-
ERCC1 (图 2a)。RPA、XPA和 XPC协同作用，识
别并结合至损伤位点，再通过 XPA和 XPC招募
TFIIH，形成一个稳定的复合体。TFIIH复合物中
的两种解旋酶 XPB和 XPD，解开 DNA损伤位点
附近约 20 bp的双螺旋结构，形成稳定的切除前复
合物 1 (pre-incision complex 1, PIC1)。随后，XPG
进入而 XPC-HR23脱离该复合物，形成复合物
PIC2。XPF-ERCC1通过与 XPA的强烈作用被招募
到复合体上，形成复合物 PIC3。其中，核酸酶 XPG
和 XPF-ERCC1分别切割距损伤位点 3′端第 (6 ± 3)
nt和距其 5′端第 (20 ± 5) nt的磷酸二酯键，切下包
含损伤位点的 24~32 nt的寡聚物。最后，该寡聚物
与 TFIIH形成的复合物被释放，并由细胞内的核酸
酶降解，而 DNA链上留下的缺口则由 DNA聚合
酶 δ/ε和 DNA连接酶 I填补。
为应对 DNA损伤并确保遗传的准确性，细胞
形成了复杂的细胞周期监督机制，即 DNA损伤检
验点，它可延迟或阻止细胞周期进程，以利于
DNA修复的进行。DNA损伤检验点可以说是细胞
周期检验点的损伤放大形式，包括 G1/S转换期检
验点、S期检验点和 G2/M转换期检验点
[42]。每一
损伤检验点又包括 3个阶段：DNA损伤识别、损
伤信号转导以及效应阶段。每一阶段都有相应的分
子参与，它们大多是蛋白激酶，通过磷酸化各自的
靶分子发挥作用 (图 2b)。目前已知的发挥 DNA损
伤信号感受作用的分子主要有：PI3K样激酶 (PIKK)
家族成员 ATM (ataxia telangiectasia-mutated)和 ATR
(ATM and Rad3-related)、Rad17-RFC复合物和 9-1-1
(Rad9-Rad1-Hus1)复合物。ATR和 ATM的下游信
号转导分子分别是两个重要的蛋白激酶：Chk1和
Chk2。一些在感受分子和转导分子间发挥承上启下
作用的中介分子也已被发现，包括 BRCA1、Claspin、
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53BP1以及MDC1。它们可在细胞周期的特定阶段
帮助感受分子与转导分子的特异结合与活化，从而
增加 DNA损伤信号转导的特异性。效应分子包括
p53、Cdc25家族 (Cdc25A/B/C)和 Cdc45等，它们
受到转导分子的激活或抑制，从而直接参与调节细
胞周期进程。在哺乳动物细胞中，有两个主要的检
验点信号通路，即 ATR-Chk1通路和 ATM-Chk2通
路。前者主要受 UV、类 UV因素以及复制叉进程
抑制药物的激活，后者主要受到电离辐射和诱发
DNA双链断裂因素的激活。ATR和 ATM激酶在一
些辅助蛋白的帮助下感知 DNA损伤，并在中介分
子的帮助下分别磷酸化信号转导激酶 Chk1和
Chk2。随后，Chk1和 Chk2磷酸化 p53、Cdc25和
Cdc45等效应蛋白，从而抑制细胞周期进程中的两
个关键的激酶 Cdc2和 Cdk2，分别阻滞 G2/M和 G1/
S转换。
3　生物时钟调控DNA修复
在哺乳动物中，只有核苷酸切除修复活动具有
明显的节律性。然而，也不能排除其他修复途径可
表现出微弱的振荡性，如参与碱基切除修复的 O6-
烷基鸟嘌呤 -DNA烷基转移酶 (O6-alkylguanine-
DNA alkyltransferase, AGT)和 N-甲基嘌呤 -DNA糖
基化酶 (N-methylpurine DNA glycosylase, MPG) 只
具有微弱的节律性，以致于其节律振荡的生理意
义还不太清楚 [45-46]。另外，错配修复与 DNA复
制偶联 [47]，而 DNA复制过程本身受到生物时钟的
调控 [40,48]。因此，在一些正处于复制期的细胞中，
错配修复可能在一定程度上受到生物时钟的间接
影响。
核苷酸切除修复的六个修复因子都是损伤识
别与切除反应的限速因素，因此，对它们的节律性
控制就有可能使得核苷酸切除修复活动呈现周期
性。对小鼠各种组织一天中的核苷酸切除修复活动
的分析发现，大脑和肝脏中的修复活动有明显的周
期性 [4]，而睾丸中则不然 [5]，这可能是因为睾丸中
缺乏生物时钟 [49]。2009年，Kang等 [4]发现，小鼠
大脑中的核苷酸切除修复活性在 ZT10-14 (ZT0指
12 h光照 -12 h黑暗模式的光照开始时间 )达到最高，
比在 ZT18-22时的最低值高出 5~10倍。而对各修
复因子的表达分析发现，只有损伤识别蛋白中的着
色性干皮病因子 A (xeroderma pigmentosum A, XPA)
的表达具有节律性；并且，其表达模式与 BMAL1
同相，而与 BMAL1的抑制子 CRY1和 PER2反相。
Kang等 [5]的进一步研究表明，Xpa是一个时钟控
制基因，其启动子区包含两个 E-box元件。在
C57BL/6小鼠肝脏中，Xpa的 mRNA和蛋白质与核
苷酸切除修复的节律振荡模式一致。然而，在
Cry1/2双敲除小鼠中，Xpa的 mRNA和蛋白质表达
水平都呈持续性激活并缺乏节律性。因此，Xpa受
(a)核苷酸切除修复：六个核心修复因子协调运作，先后形成切除前复合物1(PIC1)、PIC2以及PIC3，最后切下包含损伤位点
的寡聚物由细胞内的核酸酶降解，而DNA链上留下的缺口则由DNA聚合酶和DNA连接酶I填补。(b) DNA损伤检验点：DNA
损伤检验点通路中，两个PIKK家族成员损伤感受器ATR和ATM发起信号转导级联反应，经历DNA损伤识别、损伤信号转导
以及效应三阶段，实现对细胞周期进程的调节。(c)细胞凋亡途径：包括由DNA损伤因素引起的内源性凋亡和由肿瘤坏死因
子-α (TNF-α)等细胞因子引发的外源性凋亡。
图2 DNA损伤反应
唐小利，等：生物时钟调控DNA损伤反应的研究进展第10期 1241
到 CLOCK/BMAL1的正调控以及 CRY和 PER的
负调控，且其蛋白的节律性振荡是切除修复活性呈
现节律性的主要原因。
然而，高效的转录节律不一定能足够引起蛋白
质含量的节律振荡。如果蛋白质是稳定的，则节律
性的转录只会引起蛋白质表达产生微弱的振幅变
化。因此，若蛋白质经历一定的降解过程，其表达
将表现出显著的振荡性。正常情况下，与许多时钟
蛋白，如 CRY、PER和 BMAL1一样，XPA蛋白
也有一个约 3 h的半衰期 [5,50-53]。而 UV诱导的 DNA
损伤能增加 XPA的稳定性，使其半衰期达到 12 h
以上 [41]。XPA被泛素连接酶 HERC2泛素化，并通
过泛素 -蛋白酶系统 (UPS)降解；而且，siRNA导
致的HERC2的表达下调会增加XPA蛋白的稳定性，
使其始终保持在较高的水平，并增加核苷酸切除修
复活性 [5]。有趣的是，HERC2本身也是一个时钟
调控蛋白，其在肝脏中与 XPA同相振荡，而在大
脑中则没有振荡性 [54]，然而，Xpa的转录及其蛋白
水平在这两种器官中都有振荡性。因此，一些蛋白
质，如 XPA，无论以恒定速率降解还是以振荡的方
式降解，它们都有可能在细胞中节律性地积累。
4　生物时钟调控DNA损伤检验点
生物时钟主要以两种方式调控 DNA损伤检验
点：在转录水平上控制损伤检验点蛋白质的积累；
时钟蛋白直接参与损伤检验点反应。
4.1　第一种调控方式
目前已知的哺乳动物生物时钟对细胞周期的调
控主要采用以下几种机制：通过 c-Myc[7]、p21[55]、
p20[56]以及 NONO[57]调控 G1/S期转换；通过WEE1
调控 G2/M期转换
[58-59]。c-Myc是一种具有 bHLH
结构域的转录因子，可直接受到生物时钟控制，
在细胞的增殖和凋亡中发挥重要作用，并调控一
系列参与 G1/S期转换的基因
[6-7]。小鼠 c-myc启动
子上含有一个标准的 E-box序列，NPAS2 (CLOCK)/
BMAL1异二聚体与之结合并抑制其转录。另外，
小鼠缺失 PER2功能后，电离辐射诱导的淋巴瘤的
发生率升高且 DNA损伤修复反应缺陷，而 c-Myc
的高表达是淋巴瘤高发病率的主要原因。
p21 是一种细胞周期蛋白依赖性激酶抑制
因子，通过抑制 G1期 Cyclin E-Cdk2复合物的活性
以负向调节细胞周期进程，并结合 PCNA以阻止
DNA复制。p21受到 CLOCK/BMAL1和 RORγ的
正调控和 REV-ERBα/β的负调控 [55]。DNA损伤诱
导 p21的高表达，从而抑制 Cdk2的活性，将细胞
周期阻滞在G1/S检验点。在Bmal1敲除小鼠肝脏中，
随着 REV-ERBα/β的表达降低以及 RORγ的表达增
加，p21也呈高表达，从而使细胞的 G1/S期转换滞
后。p20与 p21一样，受生物时钟调控，并调控细
胞周期 G1/S转换。所不同的是，与 p21相比，p20
表达峰值时间要早 6 h，且其调控作用不依赖于
p53[56]。
NONO是一种 DNA/RNA结合蛋白，可参与
剪切、转录抑制和 RNA的出核过程。Brown等 [60]
发现，哺乳动物和果蝇中，NONO与 PER1蛋白互
相作用，维持正常的生理节律。随后又发现，
NONO与 PER共同结合 G1期阻滞基因 p16-Ink4A
的启动子，从而节律性地激活其转录，且 NONO
是生物时钟调控细胞周期所必需的 [57]。另外，缺失
NONO和与之具有广泛同源性的 PSPC1，会导致严
重的辐射敏感性以及 DNA 双链断裂位点修复的
延迟 [61]。
WEE1激酶在 G2/M期转换中发挥关键作用，
它主要通过磷酸化失活有丝分裂细胞周期素依赖性
激酶 CDC2，从而抑制 G2/M期的转换。在 Cry突
变小鼠肝脏中，WEE1表达增加，细胞延迟进入有
丝分裂期，从而导致肝脏再生迟缓 [58]。尽管如此，
某些情况下，WEE1的增加似乎并不能显著影响
G2/M检验点。例如，Cry1−
/−Cry2−/−小鼠成纤维细胞
中WEE1表达升高，而细胞生长能力以及电离辐射
(IR)和紫外线 (UV)引起的 G2/M检验点反应与野生
型细胞并无差别。另外，突变型细胞并未长时间滞
留于 G2/M期，且其损伤诱导的 G2/M期阻滞的恢
复速率与正常细胞基本相同 [59]。因此，WEE1表达
增加引起的不同结果可能依赖于细胞的生理条件、
细胞类型以及细胞的内环境等。
4.2　第二种调控方式
时钟元件直接参与 DNA损伤检验点，如哺
乳动物 TIMELESS(TIM)参与调控两个检验点信
号通路，即 ATR-Chk1信号通路和 ATM-Chk2信号
通路 [62-63]。哺乳动物 Tim是一个时钟基因，其蛋白
质序列与果蝇的关键时钟蛋白 TIM相似，并在机
体的生长和分化以及在细胞水平上维持复制叉的稳
定性中扮演重要角色 [64-65]。2005年，Unsal-Kacmaz
等 [62]发现，人的 TIM蛋白可同时与时钟蛋白
CRY2 和细胞周期检验点蛋白 Chk1 以及 ATR-
ATEIP复合物结合，在 DNA损伤检验点反应中发
挥重要作用。TIM可将 ATR感受到的复制检验点
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信号传递至 Chk1激酶。下调细胞中 Tim的表达会
降低 Chk1激酶的活性以及 PER2的蛋白表达，并
严重导致细胞 DNA复制和 S期检验点的缺陷。2010
年，Yang等 [63]发现，哺乳动物的 TIM在 ATM-
Chk2通路和G2/M检验点的调控中也具有重要作用。
TIM是依赖于 ATM的 Chk2激活所必需的，siRNA
干扰 TIM和 ATM的表达都会减少 Chk2的磷酸化
激活，TIM的表达降低还可减少阿霉素诱导的 G2/
M细胞周期阻滞。与对照组细胞相比，干扰 TIM
表达后滞留在 G2/M检验点的细胞较少。由此可见，
TIM在联系生物时钟与 DNA损伤检验点中发挥一
定的功能。
另外，核心时钟基因 Per1和 Per3也直接参与
DNA损伤检验点。2006年，Gery等 [6]发现，PER1
直接与 ATM和 Chk2结合而激活 ATM-Chk2检验
点通路，也可能作为一个衔接蛋白，招募一些 ATM
的底物。PER1的表达下降会干扰 IR引起的 ATM
对 Chk2的磷酸化激活，并减少 DNA损伤诱导的
细胞凋亡。而 PER1过表达则会通过促进凋亡过程
而抑制大量癌细胞的增殖。2010年，Im等 [66]发现，
时钟基因 Per3也直接参与调控 ATM-Chk2通路。
人源细胞中 siRNA导致的 Per3的下调几乎彻底损
坏了 DNA损伤诱导的检验点激酶 Chk2的激活，从
而破坏 DNA损伤诱导的 ATM-Chk2检验点通路。
PER3可直接与 ATM和 Chk2结合，且在没有外源
DNA损伤的情况下，PER3过表达会诱导 Chk2的
激活，而这种激活效应依赖于 ATM。PER3过表达
也会抑制细胞增殖以及凋亡引起的细胞死亡。因此，
PER3可作为一个检验点蛋白，在检验点激活、细
胞增殖及凋亡中发挥重要作用。
5　生物时钟调控细胞凋亡
细胞凋亡是最常见的程序性细胞死亡方式，具
有两种形式：由 DNA损伤因素引起的内源性凋亡；
由肿瘤坏死因子 α (TNFα)等细胞因子引发的外源
性凋亡 [67] (图 2c)。生物时钟与这两类细胞凋亡都
存在一定联系 [68]。生物时钟主要通过调控 TNFα的
合成和 GSK3β的磷酸化来调控外源凋亡途径。
TNFα和 GSK3β进一步调节 NF-κB，将信号转导至
半胱氨酸蛋白 caspase 8，随后 caspase 8激活包括
caspase 3在内的细胞凋亡进程执行者。在内源凋亡
途径中，生物时钟调控 DNA损伤诱导的 p73的表
达增加。p73进一步激活 Bax和 Bak的转录，导致
细胞色素 C从线粒体中释放、凋亡体的组装，以及
最后的转换蛋白 caspase 9的分解和激活。激活的
caspase 9进一步分解并激活凋亡执行者 caspase 3。
下文将主要讨论生物时钟对 DNA损伤诱发的内源
凋亡过程的调控作用。
在内源凋亡途径中，细胞 DNA损伤以及未折
叠蛋白引起的细胞应激反应都会升高 Bcl-2促凋亡
家族成员 Bax和 Bak的表达水平。肿瘤抑制因子
p53在 DNA损伤诱导的内源凋亡途径中扮演重要
角色 [67]。p53是由 p53、p63和 p73组成的蛋白家
族成员之一，在基因毒性应激情况下，p53主要通
过增加 Bax和 Bak的表达，进而诱导细胞凋亡的发
生 [69]。而 p63和 p73主要在生长和分化方面发挥功
能，在促凋亡方面的作用则是次要的，其中 p73有
较强的肿瘤抑制作用 [70]。2009年，Ozturk等 [8]发现，
与 p53−/−细胞相比，p53−/−Cry1/2−/−细胞对基因毒性
药物更加敏感。这说明，Cry的缺失会激活一种不
依赖于 p53的凋亡途径，而在 p53+/+细胞中，这种
凋亡途径的作用可能因为 p53强烈的促凋亡效果而
不明显。2011年，Lee等 [9]发现，在缺失 CRY的
p53−/−细胞中，DNA损伤会增加 p73的表达。p53
和 p73的蛋白质水平都会受到 DNA损伤诱导而升
高，p53蛋白的增加主要通过翻译后修饰完成，而
DNA损伤诱导的 p73的增加主要来源于转录水平
上的调控。
p73启动子上包含转录因子 C-EBPα、Egr1和
E2F1的一个或多个结合位点，前者发挥抑制作用，
而后两者发挥激活作用。Egr1受到生物时钟的直接
调控，其启动子上含有一个 E-box序列，是一个一
级时钟控制基因 (clock-controlled gene, CCG)，p73
则是一个二级 CCG[9]。在没有 DNA损伤的情况下，
p73的表达水平极低。DNA损伤通过影响以上 3种
转录因子来激活 p73的转录。UV和类 UV药物诱
发的 DNA损伤会引起 C-EBPα磷酸化并从 p73启
动子上释放出核，而增加 Egr1在 p73启动子上的
结合，从而促进 p73的转录和随后的细胞凋亡 [9]。
另外，DNA损伤诱导的 p73的表达受到时钟元件
CRY的调控。Cry的缺失会上调 Egr1的表达，进
而激活 p73的表达，也会使得 p53−/−细胞对类 UV
药物奥沙利铂更加敏感 [9,71]。总的来说，在 p53+/+
细胞中，生物时钟对内源性凋亡的调控不明显，这
是由于在 DNA损伤情况下，p53有很显著的促凋
亡效应。而在 p53−/−细胞中，生物时钟对奥沙利铂
等类 UV药物引起的内源性凋亡的调控主要通过调
控 DNA损伤诱导的 p73的表达来实现。
唐小利，等：生物时钟调控DNA损伤反应的研究进展第10期 1243
6　讨论与展望
DNA损伤反应缺陷会导致基因组不完整，从
而增加细胞中突变基因的积累，最终导致肿瘤发
生。DNA损伤反应也会影响肿瘤细胞对药物的敏
感性。许多化疗药物的抗癌活性依赖于肿瘤细胞 (具
有 DNA修复缺陷 )中 DNA损伤反应的诱导，如对
治疗生殖细胞肿瘤和浆液性卵巢癌特别有效的铂类
药物，主要通过与 DNA形成加合物，导致链内交
联和链间交联发挥抑癌作用；而且，激活 p53、抑
制细胞周期检验点和抑制 DNA修复过程，都可以
提高药物的化疗效果 [72]。因此，对 DNA损伤反应
的适当调节可以提高肿瘤细胞对化疗药物的敏感
性。另外，DNA损伤反应与新陈代谢活动也是高
度协调的。研究发现，肥胖和糖尿病患者血清中
DNA氧化损伤的标志物 8-羟基 -2-脱氧鸟苷 (8-
OHdG)的含量显著升高，且与糖尿病受试者的身体
质量指数 (body mass index, BMI)呈正相关 [73]。许
多关键的调控分子，如肿瘤抑制因子 p53、去乙酰
化酶家族中的 SIRT1和 SIRT6、多聚腺苷二磷酸核
糖聚合酶 (PARP)以及 ATM都具有调控 DNA损伤
反应和细胞代谢的双重作用 [74]。因此，DNA损伤
反应的适时调节对于预防和治疗代谢疾病也是至关
重要的。
时辰疗法是根据患者的疾病情况和某些周期
性变化特征，结合时辰药理学等特点，在一天的
特定时间给予药物，以期达到最大疗效和最小副作
用 [75-76]。随着许多新型药物的开发，用药物治疗癌
症和代谢疾病的范围也在不断扩大。尽管有许多治
疗方案的改进都增加了药物的疗效并降低了副作
用，药物的作用时间也会对疗效和副作用产生巨大
的影响，而这在临床应用中还未受到重视 [75]。这可
能是由于缺乏时钟因子在化学疗法中的基础机制的
研究。顺铂及其二级和三级衍生物是最常用的抗癌
药物 [77]，它们与 DNA结合形成顺铂 -DNA加合物，
从而破坏细胞的 DNA来杀死肿瘤细胞。在小鼠肝
脏中，顺铂 -DNA加合物的核苷酸切除修复活动表
现出显著的节律性，分别在 ZT10和 ZT22达到最
高点和最低点 [5]。这说明核苷酸切除修复活性的周
期性振荡会影响顺铂的化疗效果，在适当的时间给
以顺铂将提高其治疗效果。细胞周期进程、DNA
修复能力以及细胞凋亡潜能等都会影响细胞对
DNA损伤 (基因毒性 )诱导因子的反应。因此，在
设计相关时辰疗法方案时，这些因素都应该被纳入
考虑范围，而更多更深入的分子机制的研究也将有
利于在小鼠中 (最终应用于人类 )设计有效的时辰
治疗方案。
值得注意的是，生物时钟与 DNA损伤反应之
间也存在一定的交互关系。上文介绍了生物时钟对
DNA损伤反应的调控作用，但也有研究发现，
DNA损伤能通过改变时钟基因和行为节律的相位
而影响生物时钟。例如，γ射线和电离辐射引起的
DNA损伤都会不同程度地重设生物时钟，其中电
离辐射介导的相位重置涉及 ATM/ATR途径 [7,78]。
这些研究提示，DNA损伤可能是生物时钟的一种
授时因子，外界环境中 DNA损伤的诱因 (如一些
物理性或化学性的基因毒性刺激 )可能引起生物时
钟的节律改变。然而，DNA损伤反馈影响生物时
钟的相关机制还未得到系统的研究，两者整合调控
机制的阐明将丰富生物时钟的调控网络，并为治疗
相关疾病提供新的药物靶点和方案。另外，除了在
放射治疗或化学治疗的情况下，生物体不太可能接
受研究中所用的辐射剂量或药物剂量。因此，探究
生物体每天能接受的，影响其时钟系统的最低而又
呈时间依赖的基因毒性刺激剂量也将是一个有趣的
研究方向。最后，由于激活或抑制许多关键信号通
路都有可能影响生物时钟的正常运作，以上研究的
生理相关性还有待确立。由此可见，深入了解生物
时钟与 DNA损伤反应之间的交叉对话机制是开展
相关疾病治疗的关键。
[参　考　文　献]
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