XPA的生物效應(yīng)

文 武

[摘要] XPA是NER過(guò)程中不可缺少的蛋白。NER在維持細(xì)胞以及組織基因組穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用,缺乏XPA,生物體內(nèi)的NER機(jī)制將不能正常進(jìn)行,突變積累,基因組穩(wěn)定性下降,最終導(dǎo)致癌癥的發(fā)病率升高。本文主要闡述XPA的生物性狀以及XPA在DNA修復(fù)以及中的作用,為進(jìn)一步了解腫瘤的發(fā)生以及腫瘤的耐藥性,提供一定的線索。

[關(guān)鍵詞] XPA;DNA修復(fù);腫瘤

人類(lèi)基因組在不斷的編碼各種信息以保護(hù)自身的穩(wěn)定性的同時(shí),DNA修復(fù)酶還不停的修復(fù)著致癌性或者細(xì)胞毒性物質(zhì)造成的DNA損傷。這些損傷可分為內(nèi)源性損傷和外源性損傷兩大類(lèi)。內(nèi)源性的DNA損傷包括:水解、氧化、烷化、錯(cuò)配等,外源性的損傷有IR、紫外線 UV、各種化學(xué)藥物以及一些目前尚不能完確定的飲食因素。然而,更多的DNA輕微變異是由一些不可避免的因素造成的,比如水、活性氧化劑,一些代謝產(chǎn)物比如烷化劑等,這些都可以導(dǎo)致細(xì)胞增生停止,細(xì)胞凋亡等。DNA修復(fù)途徑主要有[1]:①堿基切除修復(fù)(Base Excision Repair);②核苷酸切除修復(fù)(Nucleotide Excision Repair NER);③錯(cuò)配切除修復(fù)(Mismarch Repair MMR);④重組修復(fù)(Recombinational Repair)。由于NER機(jī)制能夠修復(fù)大量的DNA損傷,且是細(xì)胞中唯一能夠修復(fù)雙鏈DNA損傷的途徑,因此在維持細(xì)胞基因組穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。由于XPA在NER過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,下面就XPA的生物性狀、功能等做一簡(jiǎn)單介紹。

1 XPA基因的生物學(xué)特性

1.1 XPA的發(fā)現(xiàn)

XPA最初從著色性干皮病(xeroderma pigmentosum,XP)發(fā)現(xiàn)的,XP[2]最先是由匈牙利裔的皮膚病教授Kaposi等描述的。作為一種常染色體隱性遺傳病,著色性干皮病的最主要特征是患者皮膚對(duì)陽(yáng)光敏感并可在幼年發(fā)展為瘍。隨后幾乎90%的患者會(huì)在十多歲發(fā)生基底細(xì)胞癌、鱗狀細(xì)胞癌、黑色素瘤等皮膚癌。在紫外線作用下,XP患者罹患皮膚癌的機(jī)率顯著高于正常,約為正常人的1000倍。C1eaver等首先發(fā)現(xiàn)該病是由于患者對(duì)紫外線照射造成的核苷酸損傷切除修復(fù)缺陷所致。到目前已有7組互補(bǔ)型及一種XP變異型被發(fā)現(xiàn),與之相對(duì)應(yīng)的基因分別被命名為XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF、XPG和XPV。

1.2 XPA的分子生物學(xué)特性

XPA基因含有六個(gè)外顯子,其中E1編碼與RPA34結(jié)合部分,E2編碼與ERCC1結(jié)合結(jié)構(gòu),E3編碼鋅指結(jié)構(gòu),E4和E5編碼looprich subdomain,與DNA結(jié)合結(jié)構(gòu),E6編碼TFIIH結(jié)構(gòu)[3]。XPA與其他NER蛋白結(jié)合,在NER過(guò)程中發(fā)揮著復(fù)雜的作用,其中任何一個(gè)外顯子發(fā)生變異,都將導(dǎo)致其功能喪失,進(jìn)而導(dǎo)致NER效率降低。在XPA基因的六個(gè)外顯子中,E3、E4/E5具有重要作用,XPA生物效應(yīng)的發(fā)揮,依賴(lài)于其與DNA的結(jié)合能力以及結(jié)合方式,E3突變,導(dǎo)致其不能與DNA結(jié)合,則NER的后續(xù)反應(yīng)不能繼續(xù)發(fā)生。

2 XPA與NER

NER機(jī)制能夠修復(fù)大量的DNA損傷,NER過(guò)程可分為4個(gè)步驟:①XPC/hHR23B結(jié)合到損傷的DNA上,啟動(dòng)NER過(guò)程;②XPA、RPA、TFIIH聚集到損傷部位,打開(kāi)DNA螺旋結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定單鏈DNA并為NER機(jī)制定向;③單鏈結(jié)合蛋白R(shí)PA結(jié)合到未損傷鏈上,為XPG(3內(nèi)切酶)和ERCC1與XPF復(fù)合體(5′內(nèi)切酶)定位。④損傷剪切后,在DNA多聚酶以及其他因子作用下修復(fù)切除的DNA片段。在NER過(guò)程中,DNA損傷被識(shí)別之后,XPA聚集到損傷部位,之后其他各種NER因子通過(guò)XPA蛋白的協(xié)調(diào),在NER機(jī)制中發(fā)揮作用[5]。NER[6]又可分為兩個(gè)亞途徑:即泛基因組修復(fù)(Global Genome Repair GGR)和轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)(TranscriptionCoupled Repair,TCR)。GGR[7]參與基因組任何序列損傷的修復(fù),對(duì)于阻止癌癥的發(fā)生具有重要作用。TCR修復(fù)具有轉(zhuǎn)錄活性基因轉(zhuǎn)錄鏈上的DNA損傷,其主要作用是延緩衰老過(guò)程。XPA參與了NER的兩個(gè)途徑,并且,在缺乏XPA的細(xì)胞或動(dòng)物中,NER機(jī)制不能夠進(jìn)行,可見(jiàn),XPA是NER過(guò)程中的必須蛋白。

有研究發(fā)現(xiàn)XPA是NER過(guò)程的限速蛋白。如果細(xì)胞中缺乏XPA蛋白,NER過(guò)程不可能發(fā)生。Beate K oberle et al[8]等研究發(fā)現(xiàn):XPA/小鼠對(duì)UV以及順鉑的敏感性明顯增高,而且由于不具備N(xiāo)ER功能,不能夠清除UV照射產(chǎn)生光產(chǎn)物,也不能夠修復(fù)順鉑造成的DNA損傷,導(dǎo)致小鼠各種腫瘤的發(fā)生率明顯上升。Gerdine J[8]等研究發(fā)現(xiàn)XPA蛋白在成纖維細(xì)胞中的量與NER效率明顯相關(guān),即XPA可能為NER機(jī)制的限速蛋白之一。此外,XPA基因含六個(gè)外顯子,不同的外顯子編碼不同的氨基酸結(jié)構(gòu)。其中E1編碼與RPA34結(jié)合結(jié)構(gòu),E2編碼與ERCC1結(jié)合結(jié)構(gòu),E3編碼鋅指結(jié)構(gòu),E4和E5編碼looprich subdomain,與DNA結(jié)合結(jié)構(gòu),E6編碼TFIIH結(jié)構(gòu)。其中任何一個(gè)外顯子發(fā)生變異,都將導(dǎo)致其相應(yīng)的功能喪失,進(jìn)而導(dǎo)致NER效率降低甚至NER不能發(fā)生。其中E3/E4 E5/E6變異還將導(dǎo)致XPF和XPG在DNA上的結(jié)合方式改變,即由持續(xù)機(jī)制(processisive mechanism) 變?yōu)殚g斷機(jī)制(distributive mechanism),導(dǎo)致XPF和XPG在NER中內(nèi)切酶作用大幅度降低,從而大大降低了NER效率。由此可見(jiàn),XPA在一定程度上確實(shí)能夠影響NER的速率,是NER的限速蛋白。然而,另外一些研究則發(fā)現(xiàn)[9],在人類(lèi)細(xì)胞系中,大約每個(gè)正常細(xì)胞中約有15~20萬(wàn)分子X(jué)PA,此時(shí)細(xì)胞對(duì)UV造成的損傷作用能夠快速修復(fù);XP12RO是一種XPA缺陷細(xì)胞,給這種細(xì)胞中注入5萬(wàn)分子的XPA蛋白時(shí),其對(duì)UV造成損傷的修復(fù)能力與正常細(xì)胞相同;當(dāng)其中XPA分子減少到15萬(wàn)時(shí),其對(duì)UV造成的損傷后產(chǎn)生的光產(chǎn)物清除半衰期為1 h,只有當(dāng)XPA分子降低到1萬(wàn)分子時(shí),其半衰期為3 h,此時(shí)細(xì)胞對(duì)于UV的敏感性降低。它們認(rèn)為XPA的表達(dá)量對(duì)于NER效率的影響并不大。

此外,Maria Dusinska[10]等研究發(fā)現(xiàn),XPA不僅參與了NER機(jī)制,同時(shí)還參與了氧化堿基的修復(fù)。

3 XPA與腫瘤發(fā)生

動(dòng)物試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),缺乏XPA基因的xpa/小鼠沒(méi)有NER功能,對(duì)于UV的敏感性明顯升高,而且更容易被誘導(dǎo)出各種腫瘤。同時(shí),XP患者對(duì)于UV的敏感性升高1000倍,更容易發(fā)生皮膚癌等各種腫瘤?？梢?jiàn),XPA無(wú)論在細(xì)胞還是組織中都發(fā)揮著非常重要的作用。很多研究發(fā)現(xiàn)XPA在肺癌細(xì)胞中表達(dá)低于正常肺組織中的表達(dá),并且認(rèn)為低表達(dá)的XPA與肺癌的發(fā)生相關(guān)。此外,Ulla Vogel[11]等研究發(fā)現(xiàn),XPA的多態(tài)性同樣與肺癌的發(fā)生相關(guān)。筆者的研究發(fā)現(xiàn),膀胱癌中肺癌的表達(dá)明顯低于膀胱組織中,結(jié)合XPA在膀胱癌中的作用,我們認(rèn)為,XPA的低表達(dá),在一定程度上導(dǎo)致了膀胱癌的發(fā)生(資料未發(fā)表)。目前XPA與腫瘤發(fā)生之間的關(guān)系尚不明確,然而,鑒于XPA在NER中的重要作用,XPA的變異或異常表達(dá)對(duì)于腫瘤的發(fā)生具有一定的影響。

4 XPA與腫瘤耐藥性

Beate Koberle[12]等研究發(fā)現(xiàn),XPA在睪丸細(xì)胞株中表達(dá)降低,并且,低表達(dá)的XPA直接導(dǎo)致了睪丸細(xì)胞對(duì)于化療敏感性升高。往睪丸細(xì)胞株GCT27注入40ngXPA蛋白后,GCT27細(xì)胞NER效率升高,且對(duì)順鉑的抵抗性升高。我們的研究發(fā)現(xiàn),非小細(xì)胞肺癌以及膀胱移行細(xì)胞癌中XPA的表達(dá)明顯低于正常肺組織、膀胱組織中XPA的表達(dá)(資料未發(fā)),然而肺癌、膀胱癌對(duì)于化療敏感性并不高,我們推測(cè),在肺癌以及膀胱癌中,P53介導(dǎo)的凋亡機(jī)制參與了癌組織的耐藥性。而與肺癌和膀胱癌不同的是,在睪丸細(xì)胞株中已經(jīng)證實(shí),其高表達(dá)的非突變P53與其對(duì)化療藥物的高敏感性無(wú)關(guān)。最近研究發(fā)現(xiàn)[13,14],在XPA缺陷的人類(lèi)細(xì)胞中,ATR(ataxia telangiectasiamutated and Rad3related)介導(dǎo)的凋亡機(jī)制信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡能力降低,在一定程度降低了化療藥物的敏感性。

5 XPA變異與疾病

展望:綜上所述,我們發(fā)現(xiàn),雖然XPA在NER修復(fù)途徑過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,然而,對(duì)于其在各種生物效應(yīng)中的具體作用尚不清楚。①XPA是否為NER的限速蛋白,目前尚不能確定,還需進(jìn)一步研究;②XPA的多態(tài)性是否是腫瘤發(fā)生的危險(xiǎn)因素之一,以及XPA多態(tài)性是如何影響腫瘤發(fā)生的;③膀胱癌、肺癌中XPA表達(dá)降低,然而導(dǎo)致XPA表達(dá)降低的原因尚不明確,以及XPA降低對(duì)于膀胱癌肺癌的具體影響等,都還需要進(jìn)一步研究;④人類(lèi)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),XPA參與了ATR介導(dǎo)的凋亡機(jī)制,然而,XPA的這種生物效應(yīng)是否在人體組織中同樣存在以及其具體意義,目前尚不明確。

鑒于XPA在DNA修復(fù)過(guò)程中的重要作用,我們推測(cè),其在腫瘤以及其他生物機(jī)制(如衰老)中具有重要的生物學(xué)價(jià)值,進(jìn)一步研究XPA的功能,對(duì)于預(yù)防腫瘤的發(fā)生以及提高腫瘤的治療,具有重要意義。

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