張 磊,陳慧卿,周亞竟
(江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院,鎮(zhèn)江212013)
在真核生物染色體DNA復(fù)制過程中主要涉及三種 DNA 聚合酶:α(Pol α),δ (Pol δ)和 ε (Pol ε)。其中Pol δ不僅作為最主要的復(fù)制酶參與DNA復(fù)制,同時還在多種形式的DNA損傷修復(fù)過程中扮演著十分重要的角色,在維持細(xì)胞周期的正常調(diào)節(jié)以保證基因組結(jié)構(gòu)的完整性和遺傳穩(wěn)定性方面具有特殊的重要意義[1-3]。
人源DNA聚合酶δ(Pol δ)屬于DNA聚合酶B家族[4],作為第一個具有3’-5’核酸外切酶活性的真核DNA聚合酶,于1976年在So.AG博士實(shí)驗(yàn)室被首次發(fā)現(xiàn)。最初通過對小牛胰腺和人源Polδ的研究,認(rèn)為Pol δ是由催化大亞基p125(同時具有5’-3’聚合酶活性和3’-5’核酸外切酶活性,由POLD1編碼)與p50(由POLD2編碼)組成的異源二聚體。隨后,在Lee MY博士和Hughes P博士實(shí)驗(yàn)室又相繼發(fā)現(xiàn)了第三亞基p68(由POLD3編碼)和第四亞基p12(由POLD4編碼)。p68是PCNA(增殖細(xì)胞核抗原)的捆綁蛋白,相對應(yīng)于S.pombe(粟酒裂殖酵母)的Cdc27和S.cerevisiae(釀酒酵母)的Pol32,而p12相對應(yīng)于S.pombe的Cdm1,但到目前為止,在 S.cerevisiae中還沒有發(fā)現(xiàn)p12所對應(yīng)的亞基。人源p125在催化核心區(qū)域與酵母S.cerevisiae和S.pombe的催化亞基Pol3具有比較高的同源性,說明它有很強(qiáng)的進(jìn)化保守性,而p68和p12與酵母中所對應(yīng)的亞基同源性則較低[5]。
在DNA合成和修復(fù)的過程中,Pol δ主要是通過它與PCNA(在體內(nèi)以同源三聚體形式存在)的持續(xù)的互作反應(yīng)被綁定到DNA復(fù)制叉上而起作用。Pol δ的四個亞基均能與 PCNA 發(fā)生互作反應(yīng)[5-10],Pol δ 與PCNA的互作反應(yīng)可能是以多重模型存在的復(fù)雜反應(yīng)。最新的研究提出Pol δ可能是通過多種亞裝配模式之間的轉(zhuǎn)換以采取更靈活的空間構(gòu)型與PCNA形成不同組合的多蛋白復(fù)合物,使得Pol δ和PCNA在不同的DNA“事件”中扮演各種不同的角色。其假設(shè)的Pol δ與PCNA的蛋白-蛋白反應(yīng)網(wǎng)狀模型如圖1所示。
圖1 Pol δ-PCNA復(fù)合物裝配過程中可能涉及到的蛋白-蛋白反應(yīng)網(wǎng)狀模型[8]Fig 1 A model for the network of protein-protein interactions that might be involved in the assembly of the Pol δ-PCNA complex[8]
近年來,對DNA聚合酶δ的結(jié)構(gòu)及功能的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。本文將對DNA聚合酶δ的分離純化及其參與DNA復(fù)制和修復(fù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
天然Pol δ分離純化的困難是真核聚合酶研究領(lǐng)域落后于其它系統(tǒng)DNA聚合酶研究的主要原因之一。
最早從動物組織中分離純化真核聚合酶Pol δ的過程極端困難,至少需要8個分離柱,耗時數(shù)個月,從1公斤小牛胰腺中僅能獲得約33微克的蛋白復(fù)合物。Jiang Y博士[11]曾提出一種改進(jìn)的Pol δ分離純化方法,即通過將抗p125單克隆抗體耦聯(lián)到AvidChrom Hydrazide Gel上而制備一個免疫親和層析柱,結(jié)合DEAE-cellulose和 Phenyl-agarose層析柱,從750克的小牛胰腺中獲得了1.5毫克的Pol δ,得率比傳統(tǒng)的純化方法提高近15倍,但純度還是很不理想。Mo J博士等[7]在上述的純化方法基礎(chǔ)上,又增加了Single-Stranded DNA Cellulose和Heparin-Agarose層析柱,而Liu L博士等[5]應(yīng)用傳統(tǒng)的分離純化法(8個分離柱),結(jié)合Jiang博士的免疫親和層析法,使得純化效率得以提高,并從純化后的產(chǎn)物中相繼發(fā)現(xiàn)了第三和第四亞基。但天然Pol δ純化產(chǎn)量低,純化過程中p68亞基容易被蛋白酶降解,使得不同批次純化的蛋白復(fù)合物各亞基比例不均一,大大影響了對酶的結(jié)構(gòu)和功能的深入研究。
Xie B 等[12]和 Podust NV 等[13]利用昆蟲 - 桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng),通過所制備的含不同亞基的重組病毒共感染昆蟲細(xì)胞,能夠方便地獲得不同亞基裝配組合的Pol δ蛋白復(fù)合物,但制備Pol δ蛋白復(fù)合物的過程依賴于多個重組桿狀病毒的共感染,由于感染細(xì)胞的各個病毒的滴度很難一致,使得各亞基mRNA轉(zhuǎn)錄水平不均一,所表達(dá)的蛋白復(fù)合物無論是表達(dá)量水平,還是分離純化獲得的酶的純度,均不能滿足對Pol δ酶學(xué)功能的深入研究的需求。
新型MultiBac系統(tǒng)的應(yīng)用為人源聚合酶δ的制備及分離純化帶來了新希望[14],其改進(jìn)的桿狀病毒表達(dá)載體pFBDM質(zhì)粒是一種新型多順反子載體,能實(shí)現(xiàn)多基因的同時表達(dá),并且各個基因分別受控于各自的p10或Polh啟動子,從而形成各自的表達(dá)盒。由于在重組的桿狀病毒中去除了v-cath和chiA基因,在病毒感染和外源蛋白裝配過程中減少被降解的機(jī)會,使得外源蛋白在昆蟲細(xì)胞中的表達(dá)和裝配時間從通常的48小時延長到72小時以上,大大提高了外源蛋白的表達(dá)量。周亞竟等[15]利用該MultiBac系統(tǒng),按如圖2所示的策略,將人源DNA聚合酶Pol δ的單個或多個亞基同時裝配到pFBDM中,構(gòu)建出含Pol δ異源四聚體或不同亞基組合的重組桿狀病毒,并在五齡家蠶中過量表達(dá)。經(jīng)免疫親和-離子交換層析法,從感染的350頭家蠶血淋巴中制備并獲得大約4毫克的重組Pol δ四亞基蛋白復(fù)合物,其比活性高達(dá)26200單位/毫克。
由于蛋白分離純化技術(shù)上的限制和困難,到目前為止還無法獲得人源DNA聚合酶Pol δ的蛋白結(jié)晶體結(jié)構(gòu)。目前主要利用RB69復(fù)制酶蛋白的三維結(jié)構(gòu)來研究聚合酶的復(fù)制功能以及生物學(xué)功能。
圖2 在pFBDM中構(gòu)建人源聚合酶δ四亞基表達(dá)盒策略的示意[15]Fig 2 A strategy for assembling multigene expression cassettes in pFBDM[15]
早期真核生物DNA聚合酶Pol δ復(fù)制功能的研究主要借助于猴腎病毒SV40的復(fù)制系統(tǒng),研究表明,Pol δ在復(fù)制叉中不僅催化以前導(dǎo)鏈為模板的新鏈合成,也參與催化以滯后鏈為模板的新鏈合成。當(dāng)DNA復(fù)制起始后,首先由聚合酶Pol α(具引物酶活性和5'-3'聚合酶活性)作為引發(fā)酶合成RNA引物引發(fā)復(fù)制的起始,然后作為DNA合成酶在RNA引物的3'-末端進(jìn)一步合成DNA并延伸形成RNA/DNA引物雜交分子[16]。接著,復(fù)制因子 C(replication factor C,RFC)識別這些引物雜交分子并綁定在末端,之后PCNA與RFC相互作用于此。與此同時,DNA聚合酶由Pol α轉(zhuǎn)換為DNA聚合酶Pol δ,將后續(xù)的延伸過程交給Pol δ與ε。而在滯后鏈上DNA的復(fù)制過程與前導(dǎo)鏈非常相似,是Pol δ而不是Pol ε在滯后鏈上協(xié)同側(cè)翼核酸內(nèi)切酶-1(Flap endonuclease-1,F(xiàn)en-1)和DNA連接酶-1(DNA ligase-1)通過岡崎片段的成熟來進(jìn)行子代DNA的合成[17]。Pol δ能維持滯后鏈上岡崎片段合成時所產(chǎn)生的缺口,隨后這個缺口由DNA連接酶-1來填補(bǔ)[18]。復(fù)制叉上的分工實(shí)驗(yàn)表明,在前導(dǎo)鏈上主要是由Pol ε來主導(dǎo)子代DNA的合成,而在滯后鏈上則由Pol δ來完成子代DNA的合成[2]。但也有學(xué)者認(rèn)為,Pol δ也能主導(dǎo)前導(dǎo)鏈上子代DNA的合成,因?yàn)榻湍冈赑ol ε失活的情況下還能繼續(xù)成活。在人細(xì)胞中,Rytkonen A K和Lee M Y博士等通過各種不同的實(shí)驗(yàn)手段研究了Pol α、δ和 ε在S-期不同階段的作用,發(fā)現(xiàn)Pol δ和Pol ε均參與了染色體DNA復(fù)制,其中Pol ε在S-早期扮演了更重要的作用,而Pol δ在S-后期扮演更重要的作用[19]。
傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為Pol δ在復(fù)制過程中的催化活性主要是依靠p125和p50,然而最新的研究發(fā)現(xiàn)Pol δ調(diào)節(jié)亞基對酶的催化活性有很大的影響。周亞竟等[15]對p68和p12亞基生化功能進(jìn)行了分析,以從Hela細(xì)胞中提取的天然聚合酶δ為對照,Poly(dA)/oligo(dT)為引物-模板,在PCNA存在下,四亞基蛋白復(fù)合物Pol δ4和缺失p68的三亞基蛋白復(fù)合物Pol δ3與天然酶具有相同的比活性,而缺失了p12的Pol δ3的比活性只有天然酶的40% ~50%;此外在單鏈環(huán)狀M13 DNA上,缺失了p12的Pol δ3的DNA合成能力與全酶Pol δ4相比有明顯的下降,而缺失了p68的三聚體Pol δ3-p68的延伸能力是很不完善的,主要的合成產(chǎn)物僅有3 kb左右,說明p12和p68亞基在DNA復(fù)制過程中對Pol δ的酶催化活性均起著十分重要的促進(jìn)作用。
Pol δ作為一種基本的聚合酶,在各種形式DNA修復(fù)過程中主要通過重新合成DNA和缺口填補(bǔ)(Gapfilling)而起作用。真核生物體內(nèi)常見的一些修復(fù)途徑如錯配修復(fù)、跨損傷合成,堿基切除修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)、雙鏈斷裂修復(fù)等過程中均涉及Pol δ,而且Pol δ本身也可能是一個DNA損傷響應(yīng)的靶目標(biāo)。
未被聚合酶校正的堿基替代錯誤和移碼通常被復(fù)制后的錯配修復(fù)(MMR)檢測并糾正。在典型的MMR修復(fù)過程中,移碼突變形成的堿基錯配會被Msh2/Msh6或 Msh2/Msh3蛋白復(fù)合體檢測到。在滯后鏈上,核酸外切酶EXO1負(fù)責(zé)將十到上千個核苷酸切除,隨后聚合酶進(jìn)行定向修復(fù)合成,最后DNA連接酶-1將3'-端的切口連接。通過熒光標(biāo)記發(fā)現(xiàn)MMR和復(fù)制在時間和空間上同步[20]。
近年的研究表明Pol δ參與MMR修復(fù)。Longley MJ等[21]通過向缺乏錯配修復(fù)能力的HeLa細(xì)胞核提取物補(bǔ)充從小牛胸腺中純化的 Pol δ,證明 Pol δ在MMR中扮演修復(fù)聚合酶的角色。此外,一種Eco1非依賴型的MMR機(jī)制依靠Pol δ來完成鏈置換合成[22]。在這個過程中,帶切口的DNA鏈被復(fù)制聚合酶Pol δ從它的互補(bǔ)鏈上解開,形成的側(cè)翼DNA片段被Fen-1切除[23]。這個鏈置換修復(fù)過程也需要p68亞基的參與[20]。
當(dāng)細(xì)胞所受損傷負(fù)荷超過細(xì)胞修復(fù)機(jī)制所能承受的范圍或損傷本身不能被其修復(fù)途徑識別、修復(fù)時,機(jī)體會啟動跨損傷修復(fù)系統(tǒng)以繞開存在的損傷,而帶有大量未修復(fù)損傷的細(xì)胞照樣能進(jìn)行DNA復(fù)制及分裂。有研究表明DNA聚合酶Pol δ也參與跨損傷合成。許多DNA損傷能阻滯Pol δ的進(jìn)程,然而基因組位點(diǎn)測序證明在氧化和甲基化造成的DNA損傷形成后,Pol δ依然能夠進(jìn)行易誤式修復(fù)[24]。經(jīng)8-脫氧鳥嘌呤氧化和6-脫氧鳥嘌呤甲基化修飾的堿基仍能被效率下降的復(fù)制聚合酶Pol δ用作模板,但是這些損傷使堿基的配對屬性發(fā)生改變,從而導(dǎo)致錯配,模板無法被Pol δ延伸。當(dāng)Pol δ遇到無堿基位點(diǎn)后,可能會插入一個腺嘌呤,這可能是由于Pol δ錯誤地將高度保守的酪氨酸Y708當(dāng)作模板,而Y708更易與腺嘌呤發(fā)生靜電作用,因此,Pol δ在復(fù)制時有時能繞開DNA損傷,但是保真度減?。?5]。
Pol δ作為跨損傷聚合酶在滯后鏈上作用,從復(fù)制體或模板上移位,在繞開這些損傷后,Pol δ需要被重新裝載到模板上。Netz D J等[26]提出催化大亞基p125 C-端的一個富半胱氨酸區(qū)域通過控制p125與p50/p68的互作反應(yīng)而成為全酶的控制區(qū)域。近二十年對酵母突變體的研究表明,p125的C-端區(qū)域在維持Pol δ穩(wěn)定性進(jìn)而保證基因組穩(wěn)定性中起重要作用。而Pol ζ的催化亞基也有一個與Pol δ的p125類似的C-端區(qū)域,且能夠綁定p50。于是有人提出在跨膜損傷修復(fù)過程中Pol δ和Pol ζ的催化亞基在損傷點(diǎn)處進(jìn)行了轉(zhuǎn)換[27]。此外跨損傷合成機(jī)理也可能涉及Pol δ和跨損傷修復(fù)聚合酶Polη之間的交換,這兩種聚合酶在合成引物末端與PCNA結(jié)合,可能通過PCNA的泛素化修飾來調(diào)控這兩種酶之間的轉(zhuǎn)換[28]。損傷位點(diǎn)處的聚合酶轉(zhuǎn)換可能還發(fā)生在Pol δ與其他跨損傷聚合酶及復(fù)制聚合酶之間。但是這些聚合酶轉(zhuǎn)換機(jī)制還需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。
堿基切除修復(fù)用于移除特定受損傷堿基,且通常需要糖基酶和磷酸二酯酶參與。這種修復(fù)首先由DNA糖苷酶切割受損堿基,再由AP核酸內(nèi)切酶將殘余的無堿基脫氧核糖(AP位點(diǎn))切下。這樣,在AP位點(diǎn)DNA被切除了一個切口。根據(jù)所受損傷類型以及涉及蛋白的不同,堿基切割修復(fù)至少可以分為兩類:single-nucleotide(SN)BER和longpatch(LP)BER[29]。如果這些受損傷的堿基不被修復(fù),就可能會造成Pol δ錯配或停止,進(jìn)而導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定。
目前已經(jīng)證明Pol β是堿基切除修復(fù)過程中主要的聚合酶,而有證據(jù)表明,在甲基化造成的DNA損傷修復(fù)過程中Pol δ也起到了一定的作用。Parsons J L等[30]證明了斷裂的單鏈3'-端單個堿基的修復(fù)需要Pol δ。HeLa細(xì)胞提取物經(jīng)免疫沉淀法去除Pol δ后,BER糖基酶NTH1和OGG1無法切除受損傷的堿基,在添加了經(jīng)純化的Pol δ后,BER修復(fù)能力又恢復(fù),證明該BER的修復(fù)過程依賴于Pol δ的核酸外切酶活性,通過對缺失了Pol δ核酸外切酶活性的小鼠胚胎纖維母細(xì)胞進(jìn)行損傷熒光酶標(biāo)記實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證明了上述結(jié)論。周亞竟等[29]在缺失Pol β并通過免疫沉淀去除了Pol δ的細(xì)胞提取物中加入Pol δ全酶或缺失了p12的三亞基復(fù)合物的體外分析實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)p12能夠調(diào)控SNBER和LP-BER的比例而介導(dǎo)Pol δ參與BER的修復(fù)。
BER難以修復(fù)某些DNA損傷(如由UV照射產(chǎn)生)。如果不被修復(fù),會導(dǎo)致復(fù)制叉停止。核苷酸切除修復(fù)(NER)從含DNA損傷的鏈上切除一段大約25~30 bp的片段,然后進(jìn)行修復(fù)合成。通過向UV輻射的人纖維母細(xì)胞中加入butylphenyl-20dGTP和aphidicolin,然后對核苷酸插入進(jìn)行定量分析,發(fā)現(xiàn)Pol δ是潛在的一種參與 NER修復(fù)的聚合酶[31]。隨后,Ogi T等[32]用純化過的酶對NER修復(fù)進(jìn)行體外重組實(shí)驗(yàn),證明 Pol α,Pol δ 以及 Pol κ 都有助于 NER 修復(fù)合成,只是它們通過不同的機(jī)制被募集來修復(fù)不同類型的損傷。而Mocquet V等[33]發(fā)現(xiàn)在NER修復(fù)過程中,Pol δ會被募集到RFC/PCNA復(fù)合體上,然后XPG和RPA被釋放,最終由FEN-1和Ligase-1組成的連接(Ligation)系統(tǒng)被募集以完全修復(fù)DNA。
當(dāng)細(xì)胞遭遇雙鏈斷裂時,會根據(jù)所受損傷類型和所處細(xì)胞周期,采用非同源末端連接(NHEJ)或同源重組(HR)進(jìn)行修復(fù),如果不能及時有效地修復(fù)這些損傷,將導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定或細(xì)胞凋亡。目前對于Pol δ參與雙鏈斷裂修復(fù),特別是HR的研究主要集中在酵母系統(tǒng)的研究,對重組的環(huán)狀DNA延伸實(shí)驗(yàn)表明,PCNA與雜合的DNA環(huán)綁定并募集Pol δ來完成延伸,這直接證明了Pol δ參與重組[34]。另外一些實(shí)驗(yàn)也證明酵母Pol δ是雙鏈斷裂損傷后重組修復(fù)過程中必不可少的酶。
然而,目前對真核生物,特別是人源Pol δ參與雙鏈斷裂修復(fù)機(jī)制的研究還很少。深入了解Pol δ參與雙鏈斷裂修復(fù)的機(jī)制,對更好地研究DNA修復(fù)具有十分重要的意義,這將成為未來聚合酶Pol δ領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
對人Pol δ的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),Pol δ本身也可能是一個DNA損傷響應(yīng)的靶標(biāo)。Lee M Y等[35-37]研究發(fā)現(xiàn)Pol δ通過p12的快速降解由四聚體轉(zhuǎn)換成三聚體的Pol δ3來應(yīng)對由低劑量的UV照射、HU、MMS等導(dǎo)致的DNA損傷,這些DNA損傷形成后,ATR磷酸化并激活Chk1,然后Chk1磷酸化它的下游靶標(biāo),包括p12的降解作為對DNA損傷的響應(yīng)。轉(zhuǎn)換后的三聚體Pol δ3比Pol δ4具有更強(qiáng)的檢查引物與模板上錯配核苷酸的能力。Pol δ3在應(yīng)對DNA堿基突變形成的跨損傷修復(fù)時具有減弱了的DNA合成活性,但對錯配核苷酸的插入和不匹配引物的延伸具更強(qiáng)的校對能力[37]。
這種酶學(xué)特性的改變可能是由于p12的降解導(dǎo)致Pol δ空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,使得DNA合成引物在Pol δ催化活性位點(diǎn)和核酸外切酶活性位點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換頻率發(fā)生了變化,進(jìn)而改變了酶的催化特性和外切活性[36]。最新的研究發(fā)現(xiàn),這種三聚體有可能通過改變單核苷酸堿基切補(bǔ)修復(fù)(SN-BER)和多核苷酸堿基切補(bǔ)修復(fù)的比例來調(diào)節(jié)Pol δ體外尿嘧啶起始的切補(bǔ)修復(fù)[15]。最新的研究指出 p12的降解與泛素連接酶RNF8介導(dǎo)的p12的泛素化有關(guān)[38]。
真核生物DNA聚合酶δ在維持細(xì)胞周期的正常調(diào)節(jié)以保證基因組結(jié)構(gòu)的完整性和遺傳穩(wěn)定性方面具有的特殊生物學(xué)功能。而目前對人聚合酶δ的研究落后于其它系統(tǒng)DNA聚合酶研究,主要原因之一是天然Pol δ分離純化的困難。
經(jīng)過各國科學(xué)家的努力,Pol δ的分離純化方法得到了很大的改善。利用MutiBac表達(dá)系統(tǒng)在昆蟲細(xì)胞中過量表達(dá)所獲得的Pol δ四亞基復(fù)合物具有與從真核細(xì)胞中分離提取的天然Pol δ相同的酶活性。由于表達(dá)量的提高,以及簡化的分離純化過程,大大方便了Pol δ生化功能研究。盡管如此,到目前為止,還未獲得人源DNA聚合酶Pol δ的蛋白晶體以供酶的功能和結(jié)構(gòu)分析之用。因此,在未來的人源Pol δ領(lǐng)域,獲得人源DNA聚合酶Pol δ全酶蛋白復(fù)合物晶體,并從蛋白復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的原子水平闡釋Pol δ在DNA復(fù)制及損傷修復(fù)過程的分子機(jī)理將成為一大熱點(diǎn)。
各種形式的蛋白質(zhì)翻譯后修飾如磷酸化修飾,甲基化修飾,泛素化修飾在細(xì)胞生命活動的許多進(jìn)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中泛素化修飾近年來引起了越來越多的關(guān)注。幾乎所有主要的DNA修復(fù)途徑、損傷避免機(jī)制和細(xì)胞周期檢查點(diǎn)響應(yīng)等過程都或多或少地受到泛素和(或)SUMO(類泛素)修飾途徑的調(diào)控。而p12的泛素化修飾已被證明調(diào)控Pol δ參與DNA損傷響應(yīng),而另一個調(diào)節(jié)亞基p68也能被泛素化和SUMO化修飾。因此,探明Pol δ的泛素化修飾在DNA損傷修復(fù)過程中的調(diào)控機(jī)制也將成為人源Pol δ研究領(lǐng)域的另一熱點(diǎn)。
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