耐輻射球菌輻射耐受機(jī)制的研究進(jìn)展

陳曉飛 寧萌 馮菲 向凌云 周伏忠

（河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司 河南省微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450008）

耐輻射球菌輻射耐受機(jī)制的研究進(jìn)展

陳曉飛 寧萌 馮菲 向凌云 周伏忠

（河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司 河南省微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450008）

耐輻射球菌（Deinococcus radiodurans，Dr）是迄今為止地球上發(fā)現(xiàn)的最具輻射抗性的生物之一，對(duì)紫外線、干旱和誘變劑等損傷因子均表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗性，備受世界各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。目前關(guān)于其抗輻射機(jī)理已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道。根據(jù)國內(nèi)外最新的研究成果，從DNA損傷修復(fù)機(jī)制、抗氧化防御系統(tǒng)、特殊的生存方式及細(xì)胞凈化系統(tǒng)等方面，對(duì)耐輻射球菌輻射抗性機(jī)理的研究進(jìn)行了簡單的概述，并對(duì)未來Dr耐輻射機(jī)制的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為進(jìn)一步研究該菌的輻射耐受機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

耐輻射球菌；輻射耐受機(jī)制；DNA損傷修復(fù)；抗氧化

耐輻球射菌（Deinococcus radiodurans，Dr）是1956年由美國科學(xué)家Anderson等首次從輻射滅菌后變質(zhì)的肉類罐頭中分離出來的，是迄今為止地球上發(fā)現(xiàn)的最具輻射抗性的生物之一，因此有“世界上最頑強(qiáng)的生物”之稱，是研究耐輻射機(jī)理較為理想的模式生物［1，2］。Dr最顯著的特點(diǎn)是，其穩(wěn)定生長期可耐受15 kGy的輻射劑量，是E.coli輻射抗性的250多倍，人類的3 000倍［3］。此外，Dr還對(duì)紫外線、干旱和過氧化氫等損傷因子表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗性。Dr因其極端抗性特征，在研究抗輻射機(jī)理、環(huán)境修復(fù)、腫瘤發(fā)生機(jī)制等方面具有十分重要的意義，因此倍受世界各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注［4-8］，是極具開發(fā)和利用前景的微生物資源。

研究者［9-14］認(rèn)為，Dr的極端輻射抗性主要?dú)w因于其超強(qiáng)的DNA修復(fù)能力、高效的抗氧化防御體系、特殊的菌體結(jié)構(gòu)，本文根據(jù)國內(nèi)外最新的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)Dr的細(xì)胞凈化系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，旨在為耐輻射機(jī)制的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。

1 菌體結(jié)構(gòu)

1.1 特殊的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)

Dr具有非常特殊的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。根據(jù)其細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和成分（細(xì)胞壁有外膜，但缺乏普通革蘭氏陽性菌含有的磷壁酸），Dr應(yīng)屬于革蘭氏陰性菌，但因細(xì)胞壁的肽聚糖層較厚，結(jié)晶紫染色后脫色困難，革蘭氏染色為陽性。Dr的細(xì)胞壁由內(nèi)到外分為6層：細(xì)胞膜、多孔層（貼近細(xì)胞膜外，含肽聚糖，有很多孔洞）、分區(qū)層、外膜、電子致密區(qū)、S層［Surface layer，由六角形蛋白亞單位規(guī)則排列而成，又 稱 HPI層（Hexagonally packed intermediate layer）］，有的細(xì)胞在S層外還有一層起保護(hù)菌體和通訊作用的厚而密集的多糖外膜［15-18］。雖有爭(zhēng)議，但Ferreira等［19］認(rèn)為，Dr的這種多層細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對(duì)電離射線和紫外線有一定的阻擋效果，可以減緩菌體遭受輻射所引起的損傷，起支持和保護(hù)細(xì)胞的作用。

1.2 獨(dú)特的染色體結(jié)構(gòu)

Dr獨(dú)特的基因組結(jié)構(gòu)，可能與其超強(qiáng)耐輻射能力有關(guān)。在穩(wěn)定生長階段，Dr的擬核呈非常致密的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。掃描電鏡可以看到［18］，指數(shù)生長期90%以上及穩(wěn)定期所有的Dr均被互相垂直的膜狀結(jié)構(gòu)分成四聯(lián)體，每個(gè)部分的染色質(zhì)形成緊密的環(huán)狀。研究者認(rèn)為，這種致密的環(huán)狀結(jié)構(gòu)能夠阻止雙鏈斷裂后形成的碎片在修復(fù)過程中彌散開去，從而促進(jìn)DNA損傷修復(fù)的進(jìn)行，對(duì)輻射具有被動(dòng)防御的功能［6］。但也有人根據(jù)對(duì)E.coli的研究，對(duì)該假說提出了異議［17］。盡管如此，高度致密的基因組結(jié)構(gòu)可以阻止損傷DNA的彌散，從而有助于搜索修復(fù)模板［20］，仍是合理的解釋。

2 高效的DNA損傷修復(fù)機(jī)制

可以耐受超過15 kGy的γ射線，并在十幾個(gè)小時(shí)內(nèi)修復(fù)因輻射產(chǎn)生的多達(dá)上千個(gè)的DNA雙鏈斷裂片段（DNA double-strand breaks，DSBs），重新構(gòu)建基因組，而不產(chǎn)生突變且不影響其存活能力，是Dr最明顯的特點(diǎn)，而如E.coli的普通細(xì)菌，在相同的條件下只能修復(fù)幾個(gè)DSBs。因此，Dr能耐受高劑量輻射，并非因?yàn)樽柚笵SBs的產(chǎn)生，而是由于其非常強(qiáng)的DNA損傷修復(fù)能力。目前Dr的DNA修復(fù)方式主要包括5種：堿基切除修復(fù)、直接損傷修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)、堿基錯(cuò)配修復(fù)和重組修復(fù)［21］，其中DNA重組修復(fù)又包括同源重組（HR）、非同源末端連接（NHEJ）、單鏈末端退火（SSA）及合成依賴單鏈退火（SDSA）4種眾所周知的途徑及Zahradka等［22］提出的DNA重組修復(fù)新途徑——延伸合成依賴鏈退火（Extended synthesis-dependent strand annealing，ESDSA）。ESDSA是在DNA損傷前，DNA模板有一些作為補(bǔ)丁的DNA雙鏈，DNA損傷后，新合成的DNA雙鏈將補(bǔ)丁雙鏈鏈接起來完成修復(fù)［23］。

2.1 堿基切除修復(fù)（Base-excision repair，BER）

細(xì)胞中都帶有不同類型、能識(shí)別受損核酸位點(diǎn)的糖苷水解酶，以切除受損核苷酸上的N-β-糖苷鍵，在DNA鏈上形成去某個(gè)堿基的位點(diǎn)，核酸內(nèi)切酶切開該位點(diǎn)的糖苷-磷酸鍵，并將包括受損核苷酸在內(nèi)的小片段DNA移去，后由DNA聚合酶Ⅰ合成新的片段，并由DNA連接酶將兩者連成新的DNA鏈，該過程即為堿基切除修復(fù)。Makarova等［15］報(bào)道了Dr含有堿基切除修復(fù)途徑幾個(gè)重要的核苷糖基化酶和核酸內(nèi)切酶，如AIkA、MutY、MutM/Fgp、Nth、Ung、Mug、Nfi（YiaF）和XthA等。Dr的mutY基因能恢復(fù)大腸桿菌MutY突變株，并保護(hù)細(xì)胞免除輻照等引起的GO突變［24］，且Dr含有兩個(gè)尿嘧啶DNA糖基化酶（Ung同源物），可以糾正與A錯(cuò)配的U。Bauehe等［25］研究發(fā)現(xiàn)，Dr的堿基切除修復(fù)系統(tǒng)由脫嘌呤嘧啶內(nèi)切酶和尿嘧啶N糖基化酶、脫氧核糖磷酸二脂酶、胸腺嘧啶乙二醇糖基化酶等9種糖基化酶及一種AP外切酶共同組成［26］，可能在Dr DNA損傷修復(fù)中有一定的貢獻(xiàn)。

2.2 直接損傷修復(fù)（Direct damage repair，DDR）

DDR是一種由特殊的可連續(xù)掃描DNA、識(shí)別損傷部位的蛋白直接修復(fù)損傷部位的方法，與BER途徑相比，該方法無需切除堿基。Dr中的MutT（Nudix家族）是一類含特殊結(jié)構(gòu)，以MutT為中心結(jié)構(gòu)的蛋白家族，該超家族有23個(gè)成員，17個(gè)以單一結(jié)構(gòu)域形式存在，6個(gè)以多結(jié)構(gòu)域形式存在。其中DR0603（由3個(gè)結(jié)構(gòu)域組成）、DR0192、DR0004是Dr特有的，目前還未在別的細(xì)菌中找到同源物。因此推測(cè)，這些多結(jié)構(gòu)域組合后的功能可能涉及由環(huán)境脅迫所造成的DNA損傷的修復(fù)，也可能涉及新的DNA修復(fù)途徑［15］。

2.3 核苷酸切除修復(fù)（Nucleotide excition repair，NER）

NER主要修復(fù)染色體結(jié)構(gòu)的DNA損害，包括由紫外線所導(dǎo)致的嘧啶二聚體，化學(xué)分子或蛋白質(zhì)與DNA形成的DNA附加物，或DNA與DNA形成的DNA交互連結(jié)等。Dr存在兩條獨(dú)立的核苷酸切除修復(fù)途徑：（1）由mtcA和mtcB基因編碼的紫外線核酸內(nèi)切酶α介導(dǎo)，可識(shí)別多種DNA損傷類型，切除DNA損傷及其附近的核苷酸；（2）由uvrA、uvsC、uvsD和uvsE基因編碼的紫外線核酸內(nèi)切酶β介導(dǎo)，這些基因與E.coli的uvrABC途徑相似，對(duì)紫外線二聚體光合物具有特異性［1］，對(duì)Dr的輻射抗性起較重要的作用，如UvrA對(duì)電離輻射和紫外線抗性十分重要［27］。

2.4 堿基錯(cuò)配修復(fù)（Mismatch repair，MMR）

MMR主要糾正DNA雙螺旋上錯(cuò)配的堿基對(duì)，還可以修復(fù)一些小于4 nt的核苷酸插入或缺失。參與MMR的關(guān)鍵酶有3種：MutS、MutL和MutH，MutS蛋白（二聚體），用以識(shí)別雙鏈DNA中的堿基錯(cuò)配位點(diǎn)，并可以結(jié)合到錯(cuò)配的DNA鏈上，后與MutL結(jié)合，形成可以激活具有核酸內(nèi)切酶活性的MutH的穩(wěn)定復(fù)合物，被激活后的MutH切割鄰近甲基化基團(tuán)相對(duì)的新鏈［28，29］。高加旺［21］指出，Dr體內(nèi)含有mutS和mutR基因編碼的蛋白，另有研究表明［1］，DR_2566可能參與Dr的錯(cuò)配修復(fù)。堿基錯(cuò)配修復(fù)方式可以提高DNA復(fù)制與修復(fù)過程中的保真性，在基因組完整性的維護(hù)上扮演著重要的角色。

2.5 重組修復(fù)（Recombination repair，RER）

RER是耐輻射球菌DNA損傷修復(fù)最重要的方式，也是研究最深入的修復(fù)方式，在Dr輻射耐受機(jī)制中起十分關(guān)鍵作用。Dr經(jīng)射線照射后，染色體會(huì)出現(xiàn)大量DSBs［3］，其體內(nèi)存在的染色體重組修復(fù)系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)，是DSBs損傷修復(fù)的最主要方式［30］，對(duì)保持基因組的完整性十分重要［2，31］。Daly等［32］推斷，在Dr染色體的同源序列之間，可能預(yù)先存在線性排列，簡化了放射損傷后內(nèi)部同源序列間的聯(lián)系，從而避免無效的尋找同源片段，使整個(gè)基因組迅速的重組修復(fù)。

Dr含有大多細(xì)菌都有的Rec、Sbc、Ruv3個(gè)系列的DNA重組酶，如RecA、RecQ、SbcCD、Ruv-ABC［33-36］等，但缺少一些普通細(xì)菌（E. coli）含有的RecBCD、RecT、SbcB等重組修復(fù)相關(guān)的酶［37］。RecA是一種具有解旋功能的重組酶，也是DNA損傷修復(fù)同源重組（HR）途徑中最關(guān)鍵的酶，可控制DNA雙鏈的解旋，并打開DNA分子的雙鏈結(jié)構(gòu)，為損傷DNA片段的修復(fù)找到單鏈“模板”，從而完成重組修復(fù)工作［38］，對(duì)鏈的配對(duì)和交換起十分重要的作用，是DNA重組過程中非常關(guān)鍵的蛋白［39-41］。RecFOR是Dr體內(nèi)DNA同源重組的重要途徑，該途徑中主要發(fā)揮功能的是具有重組酶功能的RecR、RecF和RecO蛋白［42］，Dr的RecR蛋白（DR0198）參與同源重組和DNA交聯(lián)修復(fù)［43］；RecO支持DNA退火和RecA介導(dǎo)的重組修復(fù)，在雙鏈斷裂修復(fù)中起重要作用［44］；RecF蛋白在ATP存在的情況下以二聚體的形式存在，對(duì)四聚體RecR環(huán)起夾鉗裝載的功能［45］。研究表明，RecJ和UvrD用以產(chǎn)生單鏈DNA，經(jīng)RecFOR途徑激活的RecA，可以結(jié)合到單鏈DNA上［46］。Dr體內(nèi)含有兩個(gè)RecQ解旋酶（DR1289和DR2444），可以與RecA和SSB（單鏈結(jié)合蛋白）協(xié)同作用于DNA的重組修復(fù)［47］。目前Eggington等［48］成功表達(dá)了SSB二聚體蛋白，Bernstein等［49］通過X射線衍射試驗(yàn)，確定了SSB每個(gè)單體蛋白的晶體結(jié)構(gòu)；參與RecFOR途徑的其余recF、recO、recR以及recA等基因也已克隆成功［50］。Hu等［51］研究發(fā)現(xiàn)，Dr的SbcCD復(fù)合物是一種二級(jí)結(jié)構(gòu)專一性核酸內(nèi)切酶，且在DNA末端有蛋白質(zhì)阻礙的情況下，依然有3'到5'的核酸外切酶活性，推測(cè)該復(fù)合物可能在DNA修復(fù)中起重要作用，Kamble等［52］進(jìn)一步證明了SbcCD復(fù)合物在依賴RecA的DNA碎片修復(fù)過程中發(fā)揮主要作用，從而有助于Dr的輻射抗性。

Hua等［53］還在Dr菌株中鑒定了一個(gè)與電離輻射抗性相關(guān)的損傷修復(fù)開關(guān)基因pprI（又稱irrE），其蛋白表達(dá)產(chǎn)物PprI是Dr獨(dú)有的，為全局調(diào)控蛋白，可以誘導(dǎo)包括recA和pprA等與DNA損傷修復(fù)相關(guān)基因在內(nèi)的6種相關(guān)基因的表達(dá)（包括氧化應(yīng)激、能量代謝、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白折疊和組裝），是DNA保護(hù)和損傷修復(fù)作用的總開關(guān)［54-56］，pprI基因通過調(diào)控recA、pprA等基因的表達(dá)，增強(qiáng)由電離輻射引起DNA損傷的修復(fù)能力［57］；缺失 PprI 的突變株對(duì)ROS異常敏感，SOD和CAT活性也顯著降低，推測(cè)PprI可能是一個(gè)多結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄調(diào)控子，通過與recA、pprA等基因的調(diào)控序列特異性結(jié)合，并利用其本身具有的潛在多肽酶活性，調(diào)控這些基因的表達(dá)及表達(dá)產(chǎn)物的活性［56］；研究表明，在酵母菌中表達(dá)Dr的pprI基因，可以增強(qiáng)細(xì)胞的抗氧化能力［58］，陳潔等［55］發(fā)現(xiàn)，PprI對(duì)急性輻射引起的小鼠造血系統(tǒng)損傷有顯著的防護(hù)作用。PprA是一種具有種屬特異性的輻射誘導(dǎo)蛋白，可以與RecA協(xié)同作用促進(jìn)DNA的修復(fù)［59］，還具有抗氧化損傷功能［60］，研究表明［59］，PprA是Dr體內(nèi)非同源末端連接（NHEJ）修復(fù)途徑中的關(guān)鍵蛋白。ddrA是Dr的特有基因［61］，其編碼的蛋白DdrA可以結(jié)合在裸露的DNA末端，起保護(hù)作用，是單鏈末端退火（SSA）中的酶之一，有助于DNA的重組修復(fù)。黃麗芬等［62］的研究表明，DNA重組修復(fù)還與polA基因有關(guān)，polA基因缺陷的Dr對(duì)電離輻射敏感，說明polA基因在Dr DNA修復(fù)中是必需的。

Tanaka等［63］發(fā)現(xiàn)一個(gè)假定調(diào)節(jié)子（ddrO），Makarova等［64］研究表明，ddrO的表達(dá)產(chǎn)物DdrO蛋白是一種調(diào)控子［65］，參與Dr損傷DNA的修復(fù)，可能具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用，在Dr的DNA損傷修復(fù)過程中發(fā)揮一定的功能。Funayama等［66］的研究發(fā)現(xiàn)，RecN蛋白是一種重組酶，可能參與了DNA修復(fù)，但目前其參與的機(jī)制還不十分清楚。另DR0690編碼一種拓樸異構(gòu)酶IB，在Dr重組修復(fù)途徑中起重要作用［67］，缺失IB的Dr突變株對(duì)紫外線特別敏感。Desai等［68］發(fā)現(xiàn)兩個(gè)基因radR與radS，并推測(cè)其二組分系統(tǒng)RadS/RadR可能起到輻射損傷效應(yīng)調(diào)控子的作用。

近來郭翠等［69］認(rèn)為，Dr體內(nèi)的磷酸戊糖途徑（PPP）通過提供合成DNA損傷修復(fù)必須的核糖，在DNA損傷修復(fù)過程中發(fā)揮非常關(guān)鍵的功能。Dr體內(nèi)還存在DNA的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［70，71］，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)DNA的損傷及修復(fù)情況，調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂，從而隨時(shí)調(diào)控DNA的修復(fù)活力。

3 超強(qiáng)的氧化防御系統(tǒng)

過去，研究者一致認(rèn)為Dr的極端輻射抗性主要?dú)w因于其對(duì)DNA損傷的抵抗與修復(fù)機(jī)制，并在此方面進(jìn)行了大量的研究。然而隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，電離輻射直接對(duì)DNA和蛋白質(zhì)造成損傷的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量具有高度細(xì)胞毒性作用的活性氧自由基（Reactive oxygen species，ROS）。ROS可以抑制細(xì)胞內(nèi)蛋白的活性、使DNA鏈斷裂并損傷含大量不飽和脂肪酸的細(xì)胞膜，從而引起各種代謝缺陷、老化、變異甚至是細(xì)胞死亡［72，73］。研究表明，電離輻射對(duì)DNA的直接損傷僅占20%，其余的80%是由因輻射產(chǎn)生的ROS的攻擊而間接引起的。輻射產(chǎn)生的ROS主要有3類：羥基自由基（·OH）、超氧陰離子自由基（·O2-）和過氧化氫（H2O2），這3種ROS對(duì)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、脂類、核酸和糖類等生物大分子構(gòu)成強(qiáng)烈的氧化損傷作用［72］。因此，除了具有高效的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)外，Dr體內(nèi)的抗氧化防御體系對(duì)ROS強(qiáng)大的清除能力和極端抗性，是其具有極端輻射抗性的另一個(gè)重要因素。

Dr抗氧化保護(hù)系統(tǒng)主要包括抗氧化酶系和非酶類ROS清除劑兩類物質(zhì)，其中抗氧化酶系主要有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD），而非酶體系包括類胡蘿卜素、Mn2+復(fù)合物、吡咯喹啉醌及Dps蛋白等［74］。

3.1 抗氧化酶系

輻射產(chǎn)生的ROS對(duì)生物大分子具有很強(qiáng)的氧化損傷作用，而Dr體內(nèi)高活性的SOD、CAT和POD，可以有效清除對(duì)細(xì)胞毒害作用極強(qiáng)的·O2-、·OH和H2O2等，從而有效地防御ROS引起的氧化損傷［70，75］，與E.coli相比，Dr的蛋白提取物分別對(duì)H2O2、·OH、·O2-具有30倍、大于17倍及高于6倍的清除能力［76］。Dr體內(nèi)含有4種SOD、3種CAT和2種POD［75］，正常條件下Dr細(xì)胞中SOD的活性比E.coli高6倍，CAT的活性更是比E.coli高30多倍，在指數(shù)期和穩(wěn)定期時(shí)CAT的活性分別是E.coli體內(nèi)的127倍和32倍，且與E.coli經(jīng)輻照后抗氧化酶活性下降相反，輻照使Dr的SOD和CAT活性顯著升高［14］。Kobayashi等［77］研究發(fā)現(xiàn)CAT的一個(gè)基因表達(dá)產(chǎn)物Kat A有利于Dr抗氧化損傷的修復(fù)。因此毫無疑問，保護(hù)酶系的高活性，是Dr極端輻射抗性的一個(gè)重要原因。

3.2 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素（如α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和葉黃素等）可以直接捕獲細(xì)胞中的ROS，阻斷其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，從而防止ROS對(duì)DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化損傷，因此是良好的自由基猝滅劑。Dr體內(nèi)產(chǎn)生的紅色色素物質(zhì)被確定為類胡蘿卜素，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離存在［78］，是Dr的主要結(jié)構(gòu)性組成部分，具有非常高效的ROS清除能力，尤其是對(duì)單線態(tài)氧（1O2）和氧化自由基（ROO·）［79］。Dr含有13個(gè)參與類胡蘿卜素合成的基因，其中八氫番茄紅素脫氫酶基因（crtI）是類胡蘿卜素合成過程中最重要的上游基因，可以將無色的八氫番茄紅素（Phytoene）轉(zhuǎn)變成紅色的番茄紅素（Lycopene）?；蛲蛔兒虷PLC分析顯示，crtI 基因的完全缺失，可以抑制番茄紅素和其它紅色類胡蘿卜素的合成，且對(duì)高濃度H2O2異常敏感［80］。Tian等［12］對(duì)Dr的類胡蘿卜素的抗氧化活性進(jìn)行了較為精確的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，Dr的類胡蘿卜素可以阻止蛋白氧化，對(duì)抵抗細(xì)胞氧化損傷有一定作用。Sun等［81］研究證明，dr0093編碼的γ胡蘿卜素酮酶（CrtO）在Dr的類胡蘿卜素物質(zhì)合成中起關(guān)鍵作用。夏雯蓉［82］發(fā)現(xiàn)，Dr的類胡蘿卜素相比其它來源的類似色素具有更強(qiáng)的ROS清除能力。由此可知，類胡蘿卜素是Dr具有超強(qiáng)輻射抗性的重要因素，新的點(diǎn)認(rèn)為［83］，Dr體內(nèi)獨(dú)特的極性脂類可能有助于其極端輻射抗性，而類胡蘿卜素屬于極性脂類。

3.3 Mn2+復(fù)合物

研究發(fā)現(xiàn)［84，85］，Dr體內(nèi)含有大量的Mn2+（0.2-4.0 mmol/L），且Mn/Fe比值為0.24，這種Mn/Fe高比值的與輻射抗性、抗干旱和低水平蛋白氧化損傷密切相關(guān)。Dr體內(nèi)的Mn2+大多與磷酸鹽和多肽類物質(zhì)結(jié)合形成小分子復(fù)合物，與活性氧清除酶系統(tǒng)相比，Mn2+復(fù)合物具有保護(hù)DNA高效修復(fù)和其它修復(fù)蛋白的能力［86］，且比Mn2+和磷酸鹽單獨(dú)存在時(shí)具有更高的ROS清除能力，是Dr中所有ROS清除方式中最為有效的手段［87］。體外研究發(fā)現(xiàn)［88，89］，一定濃度的Mn2+能清除與磷酸鹽結(jié)合的·O2-和與碳酸氫鹽、氨基酸或多肽類物質(zhì)結(jié)合的H2O2。當(dāng)Dr受輻照后，Mn2+和細(xì)胞內(nèi)代謝物的復(fù)合物聚集于細(xì)胞內(nèi)，并快速從細(xì)胞基質(zhì)轉(zhuǎn)移到胞外發(fā)揮清除ROS的作用，Mn2+的聚集雖不能阻止DNA損傷，但可通過清除細(xì)胞內(nèi)的ROS實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的保護(hù)作用，使Dr更能忍受高輻射劑量導(dǎo)致的細(xì)胞損傷［84］；另外，Mn2+濃度的增加，能使Dr基因組的緊致性提高，這種緊致的DNA可能有利于后期DNA的修復(fù)。

有報(bào)道證實(shí)［10，86，90］，高濃度的Mn2+能夠阻止輻射過程中攻擊生物大分子的超氧化合物和ROS的產(chǎn)生，使各種酶蛋白分子免受損傷，從而保護(hù)DNA修復(fù)過程的順利進(jìn)行，是Dr輻射抗性的第一道防線，如Mn2+通過替代與鐵偶聯(lián)的酶中的鐵，防止有鐵參與的Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的·OH對(duì)蛋白造成氧化損傷。Krisko等和Daly等［91，92］認(rèn)為，通過Mn2+復(fù)合物清除ROS的方式，是一種非常有效的蛋白保護(hù)機(jī)制。用Mn2+處理細(xì)胞，其體內(nèi)SOD的活性可以成倍提高，此外，Mn2+還是UVDE核酸內(nèi)切酶、超氧化物歧化酶、DNA聚合酶X、NAD依賴型的DNA連接酶和雙重功能酯酶/核酸酶等酶類活性所必需的物質(zhì)［93］。但也有報(bào)道指出［74，94］，Mn2+的過量富集與缺失一樣會(huì)引起氧化脅迫。

3.4 吡咯喹啉醌（PQQ）

吡咯喹啉醌（PQQ）是許多氧化還原酶的輔基，不但可以調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)自由基的平衡，還具有傳遞電子、質(zhì)子和化學(xué)基團(tuán)的功能，其抗氧化能力主要依賴芳香環(huán)上的高電子密度。Dr體內(nèi)的PQQ通過參與體內(nèi)DNA修復(fù)的信號(hào)傳導(dǎo)，增強(qiáng)細(xì)菌對(duì)氧化脅迫的抗性［37］。PQQ可以直接或間接清除體內(nèi)的活性氧，保護(hù)細(xì)胞免受氧化脅迫的損傷，Misra等［95］在E.coli中表達(dá)Dr的PQQ基因后發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞具有較強(qiáng)的抗氧化能力和較低的蛋白質(zhì)羰基化作用。PQQ與一些常見的抗氧化劑相比，具有與自由基持久反應(yīng)的能力，能夠在較長時(shí)間內(nèi)保護(hù)大分子免受自由基的攻擊；在液體環(huán)境中，PQQ能夠保護(hù)蛋白質(zhì)和質(zhì)粒DNA免受射線引起的氧化損傷。因此PQQ對(duì)Dr高輻射抗性的形成有一定的貢獻(xiàn)。

3.5 Dps蛋白

Dps（DNA protection during starvation）蛋白存在于原核生物體內(nèi)，是一類與抗氧化功能相關(guān)的蛋白，該蛋白為球形多聚體結(jié)構(gòu)，含有12個(gè)亞基，與原核及真核生物體內(nèi)的鐵蛋白結(jié)構(gòu)類似，為鐵蛋白超家族成員之一［96］。Makarova等［15］研究表明，Dps蛋白作為Dr體內(nèi)抗氧化機(jī)制的重要成員，主要通過兩種機(jī)制保護(hù)DNA免于ROS的攻擊：（1）與游離態(tài)的Fe2+高效結(jié)合，維持體內(nèi)的Fe2+平衡，因此避免Fe2+過剩而與H2O2發(fā)生Fenton反應(yīng)，產(chǎn)生·OH攻擊DNA，從而有效保護(hù)DNA和蛋白質(zhì)免受損傷，（2）直接與DNA結(jié)合，形成致密的蛋白-DNA復(fù)合體，保護(hù)DNA免受ROS的攻擊。目前發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)Dps同源蛋白，可能均有保護(hù)DNA免受自由基的損傷的功能［25］。綜上所述，Dps蛋白在抗輻射方面具有一定的作用［97］。

此外，研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)與Dr抗氧化能力相關(guān)的蛋白R(shí)ecX，Sheng等［54］的研究表明，該蛋白不但可以在蛋白水平抑制RecA的活性，還可以在基因水平抑制RecA的表達(dá)，從而抑制菌體對(duì)ROS的清除作用，即缺失RecX的突變株對(duì)自由基的清除能力增強(qiáng)，因此推測(cè)該基因可能參與抗氧化系統(tǒng)的負(fù)調(diào)控［98-100］；吳媛媛等［101］還發(fā)現(xiàn)一個(gè)維持Dr輻射和氧化抗性的重要蛋白DR1127，缺失dr1127的Dr細(xì)胞清除ROS能力顯著下降。

4 細(xì)胞凈化系統(tǒng)

氧化脅迫損傷DNA和蛋白質(zhì)，并產(chǎn)生大量具有潛在毒性和誘發(fā)核苷酸突變的氧化衍生物，這些物質(zhì)的及時(shí)降解和排出，是Dr凈化損傷細(xì)胞、抵抗細(xì)胞突變的重要組成部分。因此，Dr高效的細(xì)胞凈化系統(tǒng)對(duì)其極端輻射抗性具有一定的作用。

Dr內(nèi)損傷的核苷酸及其氧化衍生物，可以被Ndix水解酶和核苷酸酶解毒后進(jìn)行再循環(huán)應(yīng)用［102］，因此Ndix水解酶和核苷酸酶負(fù)責(zé)損傷DNA及其衍生物的降解和排出。研究表明［69］，Dr的5'核苷磷酸酶對(duì)正常及氧化核苷酸的活性不同，因此可以有效識(shí)別并降解損傷核苷酸及其氧化衍生物；蛋白凈化系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著降解及排出損傷蛋白質(zhì)的職責(zé)，主要由Lon和Clp家族具有蛋白水解功能的酶組成，可以幫助細(xì)胞有效地清理氧化的蛋白［103，104］。Lon蛋白酶可以清除功能異常的蛋白，ClpPX蛋白酶調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂，且很可能為錳復(fù)合體提供重要組成部分的氨基酸和多肽［105］。研究表明，Dr體內(nèi)蛋白水解活性在輻照后顯著增強(qiáng)［86］。

5 展望

Dr作為一種可以抵御極端輻射及各種逆境的強(qiáng)悍生物，代表著生命對(duì)輻射等逆境生存的極限。因此，研究Dr極端輻射抗性機(jī)制已成為環(huán)境保護(hù)和生物修復(fù)、人類健康、食/藥品研發(fā)、動(dòng)植物育種及化妝品，甚至地外空間開發(fā)和利用等領(lǐng)域新思路和新方法的源泉，具有非常廣闊的應(yīng)用前景和重要的意義。雖然國內(nèi)外的研究人員已經(jīng)對(duì)Dr超強(qiáng)的DNA損傷修復(fù)過程、極端抗氧化體系以及獨(dú)特的理化特征等進(jìn)行了大量的研究，但還存在許多功能未知的基因、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)［25，106-108］，且Dr的極端輻射抗性，應(yīng)是其各種抗輻射因素相互作用的結(jié)果，而相關(guān)研究還不夠明確。因此，對(duì)未知生物大分子功能和各抗輻射因素之間相互作用的研究，可能是未來探索Dr抗輻射機(jī)制的兩個(gè)方向。

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（責(zé)任編輯 馬鑫）

Research Progress on the Radiation-resistant Mechanisms of Deinococcus radiodurans

CHEN Xiao-fei NING Meng FENG Fei XIANG Ling-yun ZHOU Fu-zhong
（Institute of Biology Co.，Ltd.，Henan Academy of Sciences，Key Laboratory of Microbial Engineering of Henan Province，Zhengzhou 450008）

Deinococcus radiodurans is one of the most radiation-resistant organisms that was found on the earth，and has very high resistance to UV，drought，and mutagenic agents. D. radiodurans has drawn attentions from scientists around the world，and there are many reports about its radiation-resistant mechanisms. In this paper the recent progresses on radiation-resistant mechanisms of D. radiodurans are summarized from DNA-repair pathway，antioxidative defense system，special survival approaches，and cellular purification system. The development trends and future prospects of radiation-resistant mechanisms of D. radiodurans are also discussed，the aim of this paper is to provide some foundations for further study of radiation-resistant mechanisms of the bacteria.

Deinococcus radiodurans；radiation-resistant mechanisms；DNA-repair；antioxidant

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.05.002

2016-10-13

河南省科技開放合作項(xiàng)目（152106000052），河南省重點(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（152102210167）

陳曉飛，女，助理研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)；E-mail：chenfaye0318@163.com

周伏忠，男，研究員，研究方向：微生物工程與應(yīng)用技術(shù)；E-mail：zdsyszfz001@163.com