DNA 損傷修復機制調控的嶄新發現
基因突變的累積與癌症的發生已被證實為因與果關係，而基因突變的發生主要是 DNA 損傷後未能及時修復所造成的。出錯的 DNA 複製以及日常生活中生物體 DNA 對於紫外光、輻射線、毒素或一些致癌物質等的威脅，都會造成基因的突變。因此為了維護 DNA 複製準確度與彌補外在因素對於基因組所造成的 DNA 損傷，真核生物體細胞已經演化出細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）之機制來調控整體基因組的穩定，以防止基因的突變。因此瞭解細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）之調控機制已成為了解癌症發生不可或缺的重要課題。
圖1. 造成 DNA 損害的因素以及 DNA 遭受損害後會產生的狀況。（圖片來源：http://www.rndsystems.com/mini_review_detail_objectname_MR03_DNADamageResponse.aspx）
最近由中研院基因體中心暨生物化學研究所蔡明道特聘研究員所領導的研究群在細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）的調控上有了重大突破的研究成果，該研究報告已經獲得美國「分子細胞」（Molecular Cell）期刊的青睞並於 6 月 20 日以「Featured Article」刊登此重要研究結果。該研究報告結合了生化學、結構學、遺傳學與質譜學等研究方法，發現新的「計數磷酸化」（phospho-counting）的機制對於 DNA 損傷時訊息傳遞有非常重要的調控。
圖2. 檢查點之訊息傳導與計數磷酸化之訊息調控卡通圖。（圖片來源：http://genomics.sinica.edu.tw/ch/lib/classes/picture/PictureOutput.php?picture_id=539）
該研究成果主要是著眼於檢查點（checkpoint）機制中的「DNA 損傷訊息傳遞」（Signaling）的調控，該研究以模式生物（model organism）啤酒酵母菌（Saccharomyces Cerevisiae）來進行研究。
圖3. 啤酒酵母菌（Saccharomyces Cerevisiae）（圖片來源：http://www.bio.davidson.edu/courses/genomics/2004/Bossie/MFYG.html）
在細胞感應到 DNA 損傷之後，DNA 損傷訊息傳遞乃是藉由蛋白質的磷酸化作用所傳播下去，訊息傳遞的啟動則是來自於訊息上游的「1 號有絲分裂檢查點蛋白」（Mitosis entry checkpoint protein 1, Mec1）對訊息路徑下游的蛋白受質進行磷酸化的修飾作用。根據先前的研究指出，Mec1 蛋白激酶會傾向在含有連續的絲胺酸與榖胺醯胺或蘇胺酸與榖胺醯胺（Serine-Glutamine or Threonine-Glutamine, SQ/TQ）的受質胺基酸序列上進行磷酸化的修飾作用以做為訊息傳遞的開啟。
「絲胺酸/蘇胺酸蛋白激酶 Rad53」（Serine/Threonine protein kinase, Rad53）是啤酒酵母菌（Saccharomyces Cerevisiae）細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）中負責傳遞 DNA 損傷訊息的重要蛋白質分子。在 Rad53 蛋白激酶的胺基酸序列上含有高達 16 個 SQ/TQ 的胺基酸序列，其中有兩群 SQ/TQ 集中在一起，為 SCD1 與 SCD2（SQ/TQ cluster domain 1 and 2）。
圖4. Stereo views of the overlay of the ribbon diagrams of free Dun1-FHA (pale green) and free Rad53-FHA1 (cyan).
先前的研究也已經證實 Mec1 蛋白激酶會藉由磷酸化 Rad53 上 SQ/TQ 的胺基酸序列將傳遞訊息到下游，而且亦有研究指出 Mec1 可以藉由 Rad53-SCD1 的磷酸化修飾以調控 Rad53 蛋白激酶本身的酵素活性以及向將訊息傳遞到下游的「DNA 損傷反應蛋白激酶 Dun1」（DNA damage response protein kinase, Dun1）。然而，卻不是很清楚在 Rad53-SCD1 上這一群連續四個 TQ 所蘊含的意義為何？蔡明道特聘研究員所領導的研究群結合了生化學、結構學、質譜學以及遺傳學等研究方法，發現並證實了 Rad53-SCD1 的磷酸化修飾存在著「計數磷酸化」（phospho-counting）的調控方式。
圖5.計數磷酸化之結構基礎與證明。Close-up views and charge distributions of the binding surface of structures. Positive, negative, and neutral potentials are blue, red, and white, respectively.
當 Rad53-SCD1 內的蘇胺酸（Threonine）被 Mec1 蛋白激酶單獨磷酸化修飾後（singly phosphorylation），Rad53 蛋白激酶的活性就可以被啟動，而在 Rad53-SCD1 被 Mec1 蛋白激酶雙重磷酸化修飾後（doubly phosphorylation），Rad53 蛋白激酶才能夠將訊息往下傳遞到 Dun1 蛋白激酶並活化 Dun1 以因應 DNA 損傷，而 Dun1 已被證實能夠活化「核醣核甘酸還原酶」（Ribonucleotide reductase, RNR），將核糖核甘酸（Ribonucleotide）還原為去氧核醣核甘酸（Deoxyribonucleotide）以作為修復 DNA 的材料。
這個研究成果揭開並證實磷酸化如何調控 DNA 損傷訊息傳導的多重面向，橫向（Rad53-SCD1 與Rad53）與縱向（Rad53-SCD1 與下游的 Dun1）訊息傳遞可以由 Rad53-SCD1 磷酸化計數（phospho-counting）的模式來調控，此全新的 DNA 損傷訊息調控機制同時亦為癌症發生的基礎研究帶來嶄新的一頁。
此研究工作經費的乃是由國家衛生研究院的計畫 and GRC 所支持，本篇論文第一作者是蔡明道特聘研究員實驗室內來自南韓的李賢博士，而共同作者群中也包括台灣大學生化科學研究所博士班研究生陳聖文。本研究工作亦由澳大利亞 Melbourne 大學的 Jörg Heierhorst 博士所共同合作。
論文標題與所貢獻之作者群如下：
“Di-phosphothreonine-specific interaction between SQ/TQ cluster and an FHA domain in the Rad53-Dun1 kinase cascade”. Hyun Lee, Chunhua Yuan, Andrew Hammet, Anjali Mahajan, Eric S.-W. Chen, Ming-Ru Wu, Mei-I Su, Jörg Heierhorst, Ming-Daw Tsai, Mol. Cell. 2008, 30, 767-778.
原始報導：
中研院基因體中心 NEWS：蔡明道團隊發現新的 DNA 損傷修復機制之調控