耐輻射球菌的輻射抗性研究進展

喬惠萍 趙麗紅 田海燕 陳鵬 楊吉森

耐輻射球菌的輻射抗性研究進展

喬惠萍 趙麗紅 田海燕 陳鵬 楊吉森

耐輻射球菌（Deinococcus radiodruans，以下簡稱DR菌）是一類非致病性，具有超強輻射抗性的球菌，同時又具有較好的基因轉(zhuǎn)化和生物制藥潛力。隨著1999 DR基因組全序列的發(fā)布，對該菌在輻射損傷修復(fù)機制方面的研究日新月異。各國學者對該菌的輻射耐受性分子和生理機制的研究已擴展至生理學、轉(zhuǎn)錄組學、比較基因組學、蛋白組學等多學科。目前對耐輻射球菌的探索主要在于利用其極端的電離輻射耐受性，構(gòu)建工程菌株用于復(fù)合型核污染地點降解有毒化合物，富集重金屬解毒和放射性元素。針對DR菌的抗性基因在農(nóng)業(yè)以及生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用國內(nèi)外還是一片空白。本文對耐輻射球菌的分類、輻射抗性機制及輻射損傷修復(fù)機制等方面進行綜述。

耐輻射球菌；基因；輻射損傷修復(fù)

耐輻射球菌（Deinococcus radiodruans，以下簡稱DR菌）是一類非致病性，具有超強輻射抗性的球菌，同時又具有較好的基因轉(zhuǎn)化和生物制藥潛力?；贒R菌極端的電離輻射耐受性，目前對耐輻射球菌的探索利用，主要是構(gòu)建工程菌株以應(yīng)用于復(fù)合型核污染地點有毒化合物的降解，重金屬解毒和放射性元素的富集等幾個方面。針對DR菌的抗性基因在農(nóng)業(yè)以及生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用國內(nèi)外還是一片空白。本文對耐輻射球菌的分類、輻射抗性機制，輻射損傷修復(fù)機制等方面進行描述。

1 耐輻射球菌的菌屬分類

耐輻射球菌屬（Deinococcus）目前被分為八個種,詳見表1。這八個菌屬種類都表現(xiàn)出極端電離輻射抗性這一特性。其中尤以D.radiodurans（DR）抗性最強。1956年 Anderson等在X-射線滅菌處理后的肉罐食品中分離出一種紅色的非致病性球菌，這種球菌就是DR，是耐輻射球菌屬一種。通過研究發(fā)現(xiàn)，該球菌對電離輻射及化學誘變劑具有極端的耐受性，不僅能在60 Gy慢性輻照下持續(xù)正常生長，在15 kGy急性照射條件下仍達到一定的細胞存活率[1]。

表l 耐輻射球菌屬的種類及來源

2 DR菌輻射損傷抗性機制

DR菌最顯著的特征是能在致死劑量的電離輻射下生存，特別是在指數(shù)生長期對X-射線有強于其他生物的抗性，實驗表明經(jīng)過15 kGy急性照射后還能達到一定的細胞存活率。因DR菌細胞具備特定的染色體結(jié)構(gòu)及多基因組拷貝，良性特性與細胞的代謝調(diào)節(jié)、保護機制、損傷修復(fù)形成了一套完整的抗性機制。正是這種抗性機制使其對多種DNA損傷試劑的具有極端抗性。

DR菌在穩(wěn)定生長期擬核是呈緊密排列的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[2]，正是這種結(jié)構(gòu)使其異于其它細菌。有學者推斷，這種罕見的環(huán)狀結(jié)構(gòu)能防止DNA雙鏈斷裂碎片在修復(fù)時出現(xiàn)的彌散現(xiàn)象，能保持受損染色體的線性完整性，因此增強其DNA修復(fù)能力。

DR菌的另外一個特性是含有多個基因組拷貝，在靜止生長期細胞存在4個拷貝，而在對數(shù)分裂期的細胞則攜帶4～10個拷貝，甚至大于10個[3]。對DR菌的相關(guān)研究表明，其擁有更多的拷貝基因組為細胞提供了更多的遺傳信息，為同源重組提供更多的模板信息，因此大大提高了DNA重組修復(fù)效率。另外DR的修復(fù)系統(tǒng)相對簡單、變化少，因此在修復(fù) DNA 損傷時會擁有相對更簡潔高效的途徑，而且具備種屬特異性。DR菌DNA輻射損傷后，染色體基因組經(jīng)常呈聚集排列狀態(tài)，這種狀態(tài)有利于修復(fù)模板的搜索[4]。研究表明，DR菌細胞內(nèi)還存在監(jiān)測DNA的損傷和修復(fù)，并決定何時進行細胞分裂的調(diào)節(jié)機制。DR菌輻射損傷后產(chǎn)生的IrrI能調(diào)控DNA的降解。因此，DR菌能監(jiān)測DNA損傷程度或DNA修復(fù)情況，進而調(diào)控DNA修復(fù)能力[5-6]。

DR菌輻射抗性源于其在長期進化過程中形成的抗氧化防御體系。華躍進研究小組觀察到DR菌在受到照射后會誘導(dǎo)生成活性極高的超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT），通過清除超氧陰離子自由基和過氧化氫抵抗自由基導(dǎo)致的DNA氧化損傷。有研究表明DR菌的SOD及CAT活性要遠遠高于其他細菌，相比較于大腸桿菌有6倍的活性[7]。

3 DR菌高效修復(fù)DNA損傷機制

DR菌在高劑量電離輻射中依舊存活，是因為其具有精確高效修復(fù)DNA損傷的能力。在DR菌通過4 種重組修復(fù)方式產(chǎn)生極強的輻射抗性：同源重組、非同源末端連接、單鏈末端退火及合成依賴單鏈退火。目前認為主要的修復(fù)途徑是依賴RecA的同源重組，以輔助方式協(xié)助修復(fù)的是不依賴RecA的單鏈末端退火、非同源末端連接以及合成依賴單鏈退火[8-9]。

同源重組（Homologous recombination，HR）指發(fā)生在非姐妹染色單體間或同一染色體上含有同源序列的DNA分子之間或分子之內(nèi)的重新組合。通過DNA序列間的同源性來識別，這種重組方式的催化酶無堿基序列特異性，主要包括 Rec BC和 Rec F。受電離輻照后，DR菌中普遍存在質(zhì)粒和質(zhì)粒以及染色體和染色體之間的同源重組。研究顯示，DR 菌基因組中不包含編碼 Rec BC 蛋白的基因，而主要是Rec F相關(guān)的蛋白同系物，故考慮Rec F 途徑在其同源重組修復(fù)中起重要作用。Rec F途徑需要rec系列基因編碼蛋白。目前為止，已克隆出 DR 菌重組修復(fù)基因rec A、rec F、rec O、rec R、rec Q，為進一步研究其在DNA損傷修復(fù)中的作用奠定了基礎(chǔ)[10]。

非同源末端連接（Non-homologous end joining，NHEJ），這種修復(fù)不需要任何模板的幫助。在DNA連接酶的作用下修復(fù)蛋白將雙鏈斷裂的末端拉近，進行重新接合，而且不需要這兩條DNA鏈的末端匹配。DR菌的PprA蛋白能抑制核酸外切酶III的活性，優(yōu)先結(jié)合雙鏈DSBs，誘發(fā)DNA黏合酶催化DNA末端連接反應(yīng)。由此判斷DR菌具備NHEJ修復(fù)機制[10]。

單鏈末端退火（Single strand annealing，SSA），在單鏈特異性核酸外切酶的作用下自DNA雙鏈斷裂處開始，逐漸形成DNA單鏈區(qū)域，直至兩個斷點處出現(xiàn)互補的DNA單鏈?；パaDNA單鏈退火，非互補末端被切除，單鏈缺口修復(fù)連接，完成DNA重組。當DR菌在受到輻射損傷后，早期主要以SSA 途徑進行修復(fù)，延滯期才采用更加精確的依賴RecA的修復(fù)方式。

合成依賴單鏈退火（Synthesis dependent strand annealing，SDSA），這種修復(fù)途徑不依賴Rec A。DR菌的DdrB蛋白介導(dǎo)不依賴RecA的修復(fù)途徑， 有研究表明ddrA和ddrB同時缺失突變菌株相對ddrA或ddrB單獨缺失突變菌株具備更強的輻射敏感性，由此推斷DdrA和DdrB在這種修復(fù)方式中具有互補作用[11]。

4 DR細菌的應(yīng)用研究

隨著全球原子能工業(yè)、核武器的實驗生產(chǎn)及其他核相關(guān)的人類活動擴大，地下水及土壤的核污染日趨嚴重。這些污染區(qū)域存在大量放射性無機物，如：235 u、238 Pu、90 sr、137 Ce等。污染區(qū)域的放射性水平也日趨增高，有些區(qū)域甚至高達10 mCi/L。而DR菌卻能在極端的電離輻射環(huán)境中正常生長，同時還具備易被染色體DNA及質(zhì)粒DNA自然轉(zhuǎn)化的特性，因此DR工程菌已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)藥的研發(fā)中。DR菌在高劑量電離輻射情況下仍具備高效的重金屬解毒和降解有機溶劑能力，這種能力意味著可以利用基因工程重組技術(shù)對核廢料的復(fù)合污染進行生物性修復(fù)[12]。

DR菌還具備易于被染色體DNA及質(zhì)粒DNA自然轉(zhuǎn)化的特性。根據(jù)這一特性，目前已大范圍應(yīng)用于基因工程方面的研究，將來可應(yīng)用于檢測環(huán)境中放射性物質(zhì)污染的劑量，并進一步拓寬DR菌作為工程菌的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，進一步闡明DR菌極端抗性機制對于癌癥機制的研究、闡明老化現(xiàn)象、DNA修復(fù)系統(tǒng)的起源和進化、放射性廢物的富集與處理技術(shù)都將具有重大意義。

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Advance Research of Radioresistance in Deinococcus Radiodurans

QIAO Huiping ZHAO Lihong TIAN Haiyan CHEN Peng YANG Jisen, Department of Radiotherapy, The first affiliated hospital of Baotou medical college, Baotou 014010, China

Deinococcus radiodruans (DR) is a non-pathogenic bacterium with strong radioresistance. It has the potential of genetic transformation in biological pharmacy. After the complete genomic sequence of DR was promulgated in 1999, studies of it’s radiation damage repair mechanism were developed rapidly. Scientists all over the world have explored the principle and technology of DR in many discipline such as physiology, transcription, homology comparison, protemics technology, etc. Strains construction based on this characteristics can be used in degradation of toxic substance in complex nuclear pollution, detoxification of heavy metals, concentration of radioactive element. This review is about classification, functional gene, repair capacity agaist radiation of DR.

Deinococcus radiodruans, Gene, Radiation damage repair

Q397

A

1674-9308（2015）32-0207-02

10.3969/j.issn.1674-9308.2015.32.153

014010 包頭醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院放療科

內(nèi)蒙古自然科學基金面上項目（編號：2014MS0809）