細(xì)菌DNA損傷修復(fù)的誘導(dǎo)、調(diào)控及結(jié)局的研究進(jìn)展*

郭越 韓璐文 齊志豪 杜昕奇 關(guān)松磊 賈宇

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，長春 130118）

DNA作為遺傳信息的載體，其完整性和穩(wěn)定性與生存緊密相關(guān)。在正常細(xì)胞中，內(nèi)、外源因素都可以造成DNA損傷，這種損傷可以迅速被損傷誘導(dǎo)反應(yīng)（DNA damage response，DDR）識別，啟動DNA修復(fù)程序?！癝OS”是國際上緊急呼救的通用信號，1974年Radman等［1］提出了細(xì)菌DNA修復(fù)系統(tǒng)的“SOS repair”，故通常把細(xì)菌DNA損傷修復(fù)稱為SOS反應(yīng)。SOS反應(yīng)是細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境、抵抗外界壓力和修復(fù)自身損傷的重要機(jī)制，與遺傳、代謝、環(huán)境適應(yīng)密切相關(guān)。當(dāng)細(xì)菌DNA分子受到嚴(yán)重破壞時，正常的復(fù)制和修復(fù)系統(tǒng)無法完成DNA修復(fù)，即啟動SOS反應(yīng)。LexA和RecA蛋白是引發(fā)和調(diào)節(jié)SOS反應(yīng)的關(guān)鍵分子。RecA蛋白是反應(yīng)的激活劑，而LexA是阻遏蛋白，控制下游涉及DNA修復(fù)的40余個基因的表達(dá)［2］。自1974年提出這一機(jī)制后，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了這一領(lǐng)域的研究。本文主要針對細(xì)菌SOS反應(yīng)的誘發(fā)因素、調(diào)控及其適應(yīng)性結(jié)局展開綜述。

1 細(xì)菌SOS反應(yīng)的過程

1.1 基本過程

SOS反應(yīng)是在環(huán)境壓力的作用下，由警報序列(p)ppGpp介導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)，(p)ppGpp可以增加轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物的暫停時間，阻斷DNA復(fù)制叉遷移，產(chǎn) 生 單 鏈DNA（single strand DNA，ssDNA），ssDNA與輔蛋白酶RecA結(jié)合形成RecA細(xì)絲。RecA是一種ATP依賴的重組酶，屬于DNA鏈交換蛋白家族成員，序列高度保守，在細(xì)菌DNA修復(fù)中起重要作用。RecA蛋白與ssDNA間隙結(jié)合形成RecA-ssDNA絲，細(xì)絲與轉(zhuǎn)錄抑制蛋白/阻遏蛋白LexA相互作用。正常情況下，阻遏蛋白LexA以二聚體的形式與SOS反應(yīng)基因組啟動子區(qū)域的高度特異性位點(diǎn)（回文結(jié)構(gòu)，又稱SOS盒）結(jié)合，抑制RNA聚合酶活性。RecA-ssDNA絲形成后，促使阻遏蛋白LexA裂解，從SOS盒解離，促使下游參與DNA修復(fù)的40多個基因被釋放。修復(fù)完成后，ssDNA消失，RecA失去輔蛋白酶活性，LexA自裂解減少，重新形成二聚體結(jié)合到啟動子區(qū)域，繼續(xù)抑制DNA修復(fù)基因的表達(dá)［3］。這其中涉及到兩個重要的過程，即RecA的激活及LexA的自裂解（圖1）。

1.2 RecA的激活機(jī)制

1.2.1 RecBCD螺旋酶/核酸酶途徑

RecB、RecC和RecD蛋白屬于三聚體復(fù)合物共同起作用。RecBCD解旋酶/核酸酶從一端展開和降解雙鏈DNA，RecB亞基具有3'至5'解旋酶活性，RecD亞基具有5'至3'解旋酶活性。當(dāng)DNA損傷時，首先，RecB降解3'端，RecC亞單位的一個位點(diǎn)與3'端鏈的χ序列（chi序列：5'-GCTGGTGG-3'）結(jié)合，防止其進(jìn)一步降解，然后，5'端被RecD降解，導(dǎo)致DNA鏈產(chǎn)生一個長的3'端單鏈延伸，最后，RecBCD將RecA長絲加載到延伸的單鏈片段上取代ssDNA結(jié)合蛋白（ssDNA-binding protein，SSB），RecA酶水解ATP后搜索核酸同源序列，將ssDNA與同源序列配對，開啟DNA修復(fù)程序［4］。

1.2.2 RecFOR途徑

在DNA雙鏈重組過程中，RecFOR途徑是RecBCD途徑的補(bǔ)充。recF、recO和recR基因形成一個上位性群體，更適合于修復(fù)DNA裂隙損傷。當(dāng)RecBCD螺旋酶/核酸酶因突變失去DNA重組修復(fù)的能力時，RecFOR途徑取代RecBCD途徑進(jìn)行重組修復(fù)。

1.3 LexA的自裂解及降解機(jī)制

Fig.1 The process of SOS response圖1 SOS反應(yīng)基本過程

LexA蛋白由兩個結(jié)構(gòu)域組成：N端為wHTH DNA結(jié)構(gòu)域（wing-helix-helix-helix），C端為二聚化和潛在的蛋白酶結(jié)構(gòu)域，這兩個結(jié)構(gòu)域的相對位置高度可變。LexA最初以二聚體的形式綁定到SOS盒，阻斷RNA聚合酶活性以阻止下游基因轉(zhuǎn)錄。DNA損傷導(dǎo)致RecA激活，引起LexA在Ala84-Gly85位點(diǎn)上自切割，切割的LexA無法形成二聚體，從而解除阻遏作用。當(dāng)DNA損傷水平增加時，細(xì)胞直接激活LexA自我切割程序，釋放下游基因。一般來講，完整的LexA可以在細(xì)胞中穩(wěn)定緩慢降解，但SOS反應(yīng)啟動后的LexA自切割片段會迅速降解，這得益于細(xì)胞內(nèi)一系列的蛋白水解酶。ClpXP蛋白酶的底物恰好是LexA的兩個切割片段，ClpXP可以識別并將其迅速降解。ClpX屬于胸苷磷酸化酶TPase，能夠識別特定的底物，展開這些蛋白質(zhì)，然后將變性的多肽轉(zhuǎn)移至肽酶腔中降解。研究人員［5］對ClpXP底物進(jìn)行了免疫印跡實(shí)驗(yàn)，從裂解的片段中僅檢測到少量LexA蛋白，而未檢測到全長LexA。此外，將純化的LexA添加到捕獲物質(zhì)的樣品中進(jìn)行免疫印跡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果檢測到了完整的LexA片段［5］。事實(shí)證明，ClpX蛋白酶可以識別LexA的兩個自裂解片段，但不能識別全長LexA，說明ClpX只在DNA損傷時發(fā)揮酶解作用，正常情況下不會干擾LexA的阻遏效應(yīng)。同時也說明，LexA阻遏物想要完全降解，在此之前必須進(jìn)行最初的自裂解過程。

2 細(xì)菌SOS反應(yīng)的誘導(dǎo)因素

2.1 外源性因素

環(huán)境中存在各種引起細(xì)菌DNA損傷的危險因素，包括物理因素（電離輻射、紫外線、靜水壓、高滲透壓、熱應(yīng)激）、化學(xué)因素（絲裂霉素C、氧化劑、抗生素、亞硝化胺或S-腺苷甲硫氨酸、鉻酸鹽沖擊、pH水平、活性氧等）和生物因素（饑餓、接合、轉(zhuǎn)化等）。這些因素直接或間接地對基因組構(gòu)成持續(xù)的威脅。SOS反應(yīng)正是細(xì)菌在這些壓力下產(chǎn)生的一種應(yīng)急防御方式。紫外線和電離輻射引起DNA損傷的報道由來已久，紫外光照射后引起染色體凝聚，激活LexA下游的uvrA、uvrB、uvrC基因，UvrA檢測并結(jié)合于DNA損傷部位，在UvrB和UvrC幫助下觸發(fā)修復(fù)過程，與此同時，UvrB還可以延緩細(xì)胞分裂，為DNA修復(fù)爭取時間。此外，紫外壓力啟動SOS反應(yīng)后，后者調(diào)控DNA聚合酶I、III、IV和V的水平［6］，完成DNA修復(fù)。研究證實(shí)，即使在缺乏DNA聚合酶V的菌種內(nèi)，也會形成一種SOS反應(yīng)基因盒——lexA2-imuA-imuB-imuC，其中imuB和imuC編碼DNA聚合酶（Y家族和DNA聚合酶III的α亞基），ImuB和ImuC形成共轉(zhuǎn)錄單元表達(dá)增加，完成DNA修復(fù)［7］?；钚匝酰╮eactive oxygen species，ROS）是細(xì)菌代謝的副產(chǎn)物，OH-攻擊DNA糖和堿基，導(dǎo)致雙鏈斷裂，并通過RecBCD激活SOS反應(yīng)。電離輻射既可以直接損傷DNA，也可以通過水電離產(chǎn)生OH-，間接造成DNA斷裂、堿基脫落、雜環(huán)破裂等損傷，從而誘發(fā)SOS反應(yīng)。目前，抗生素已經(jīng)成為激活SOS反應(yīng)的主要外界壓力。已發(fā)現(xiàn)包括β-內(nèi)酰胺類、氨基糖苷類、硝基咪唑類、氟喹諾酮類、利福平等在內(nèi)的多種抗生素均可引起SOS反應(yīng)。例如，氨基糖苷類、氯霉素、利福平和四環(huán)素在亞致死濃度下并不直接損傷DNA，而是通過活性氧間接損傷DNA，誘發(fā)SOS反應(yīng)［8-9］，反應(yīng)啟動后阻斷II型拓?fù)洚悩?gòu)酶來防止DNA損傷或防止復(fù)制叉的形成［10］。

除了經(jīng)典的依賴RecA-LexA途徑啟動SOS反應(yīng)外，許多外源因素也可以通過其他非依賴RecALexA途徑啟動該反應(yīng)。如：β-內(nèi)酰胺類抗生素可以激活細(xì)菌膜的組氨酸激酶，調(diào)控DpiA/B雙組分通用信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)蛋白Hu直接促進(jìn)RpoS的轉(zhuǎn)錄或競爭性替換LexA蛋白而啟動SOS反應(yīng)［11］。此外，饑餓、酸性環(huán)境、高滲透壓等外源壓力，可以通過激活RpoS途徑完成DNA修復(fù)。高溫脅迫會引起的細(xì)菌熱休克反應(yīng)，導(dǎo)致DNA損傷和蛋白質(zhì)變性，這種應(yīng)激壓力主要通過激活RpoH途徑完成DNA損傷修復(fù)。

2.2 內(nèi)源性/上游因素

SOS反應(yīng)啟動是外源性環(huán)境因素與內(nèi)源性因素共同配合完成的。外源性因素通過內(nèi)源性三種壓力途徑誘導(dǎo)SOS反應(yīng)發(fā)生，包括CcdAB途徑、DpiBA途徑和Mrr途徑。

2.2.1 CcdAB途徑

此途徑包括CcdA蛋白、CcdB蛋白、Lon蛋白及環(huán)境信號反應(yīng)蛋白（GroE、PmbA、TldE、TldD、CsrA）。CcdB蛋白編碼大腸桿菌毒素（對大腸桿菌的作用類似于外源的喹諾酮類抗生素），可以誘導(dǎo)DNA雙鏈損傷（DNA double-strand break，DSB），導(dǎo)致雙鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被破壞，同時抑制DNA-回旋酶的活性，使DNA無法恢復(fù)正常雙鏈結(jié)構(gòu)，形成ssDNA，激活RecA。CcdAB系統(tǒng)中，CcdA是CcdB的解毒劑（解除CcdB蛋白對DNA回旋酶的抑制作用），因此，二者是毒素-抗毒素的平衡關(guān)系；但是在無F質(zhì)粒的菌體內(nèi)，CcdA不甚穩(wěn)定，易被Lon蛋白酶降解而失活，而在有F質(zhì)粒的菌體內(nèi)，CcdB蛋白釋放及環(huán)境反應(yīng)蛋白可以提高Lon的水平或阻止CcdA蛋白合成，從而誘導(dǎo)SOS反應(yīng)的發(fā)生［12］。

2.2.2 DpiBA途徑

青霉素結(jié)合蛋白3（ftsI編碼）變異、化學(xué)因素（β-內(nèi)酰胺類抗生素）等破壞細(xì)菌細(xì)胞壁時，DpiBA雙組分信號途徑被激活［13］。具體機(jī)制是：DpiA效應(yīng)蛋白與染色體復(fù)制起始端富含A-T區(qū)域結(jié)合，競爭性地抑制DnaA和DnaB與復(fù)制起始序列的結(jié)合，從而中斷DNA復(fù)制并誘導(dǎo)SOS反應(yīng)。

2.2.3 Mrr途徑

Mrr屬于IV型限制性內(nèi)切酶的家族成員，主要作用是限制DNA的異常甲基化。高靜水壓（high hydrostatic pressure，HHP）是一種新發(fā)現(xiàn)的能夠誘導(dǎo)SOS反應(yīng)的物理性因素，HHP達(dá)到100 MPa時，通過Mrr限制性內(nèi)切酶途徑損傷自身基因組（DNA雙鏈損傷），促使RecB激活RecA，引發(fā)SOS反應(yīng)［14］。但是，關(guān)于HP如何激活Mrr途徑尚不清楚，有待深入研究。

3 細(xì)菌SOS反應(yīng)的調(diào)控

3.1 LexA的調(diào)控作用

SOS系統(tǒng)被認(rèn)為是一個調(diào)節(jié)多個基因的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，在正常情況下，LexA與操縱子的調(diào)控序列結(jié)合，抑制涉及DNA修復(fù)的下游基因的表達(dá)，這些基因被稱為SOS反應(yīng)抑制基因（SOS supression genes，SSGs），SSGs主要通過干擾RecA-DNA細(xì)絲的構(gòu)象或功能發(fā)揮抑制作用。LexA的調(diào)控作用則主要體現(xiàn)在控制SSGs上。一旦LexA降解，SSGs基因被釋放，這些下游因子通過同源重組和/或編碼修復(fù)蛋白修復(fù)受損的DNA，在DNA損傷耐受過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用（表1）。

Table 1 The information of SSGs regulated by LexA表1 LexA調(diào)控的SOS反應(yīng)抑制基因的信息

續(xù)表1

3.2 RecA的調(diào)控

RecA主要接受4個層次的調(diào)節(jié)：a.直接調(diào)節(jié)：SOS反應(yīng)對recA基因的表達(dá)水平實(shí)現(xiàn)直接控制，即當(dāng)損傷因素作用于DNA片段時啟動RecA的表達(dá)；反之，RecA基因受到抑制。比如，當(dāng)pH、滲透壓、化學(xué)物質(zhì)等外源因素導(dǎo)致DNA損傷時，RecA構(gòu)象發(fā)生變化（出現(xiàn)纖維細(xì)絲），功能被激活。同樣地，當(dāng)DNA損傷后造成核糖核酸酶表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致dATP蓄積，RecA結(jié)合ATP形成活性細(xì)絲，RecA也被激活［32］。b.自動調(diào)節(jié)：RecA蛋白可以通過自身的C端進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。RecA蛋白C端25個氨基酸殘基的排列處于無序狀態(tài)，特別是C端17個氨基酸殘基是SOS反應(yīng)自動調(diào)節(jié)的開關(guān)（C端17個氨基酸肽段被移除后，RecA功能被激活）。正常情況下，RecA與DNA結(jié)合需要游離Mg2+的存在，而C端的氨基酸殘基被去除后，RecA不需要Mg2+即可激活，啟動SOS反應(yīng)。因此C端成為了RecA的自調(diào)控模式，這個肽段也成為了其他蛋白質(zhì)調(diào)控RecA的關(guān)鍵靶點(diǎn)。c.其他蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)：RecA的活性調(diào)控蛋白還包括SSB、RecF、RecO、RecR、DinI、RecX、RdgC、PsiB、UvrD

等。SSB通過與RecA競爭ssDNA結(jié)合位點(diǎn)而間接影響其功能；RecO、RecR及RecF蛋白調(diào)節(jié)RecA細(xì)絲的組裝和拆卸；RecX是天然的RecA抑制劑，能夠分解RecA細(xì)絲，阻止細(xì)絲延伸，影響RecA活性。研究者根據(jù)RecX的作用機(jī)制，利用SEQOPT設(shè)計(jì)了一種抑制RecA突觸前復(fù)合物的α螺旋肽，它既能抑制RecA的體外活性，又能阻斷菌體內(nèi)的SOS反應(yīng)［33］。DinI蛋白可穩(wěn)定RecA細(xì)絲；RdgC蛋白與dsDNA結(jié)合，并阻止RecA與dsDNA結(jié)合；PsiB蛋白功能尚不明確，初步判斷可能以某種方式抑制RecA活性；UvrD解旋酶從RecA中去除RecA細(xì)絲。以上這些調(diào)控蛋白主要通過調(diào)整RecA的位置和與DNA的作用方式起作用。d.小分子化合物的調(diào)節(jié)：研究發(fā)現(xiàn)，酚類化合物——對香豆酸是有效的RecA抑制劑，抑制RecA驅(qū)動的多個過程，如ssDNA結(jié)合、鏈交換、ATP水解和RecA蛋白酶活性，機(jī)制是干擾RecA蛋白的識別能力［34］。

3.3 RNase E的調(diào)節(jié)作用

大腸桿菌需要RNA酶E（RNase E）才能啟動SOS反應(yīng)。RNase E是參與RNA成熟和mRNA降解的限速酶，是mRNA降解體復(fù)合物的支架。RNase E是SOS反應(yīng)的動態(tài)調(diào)控因子。研究者利用絲裂霉素C誘導(dǎo)大腸桿菌發(fā)生SOS反應(yīng)，RNase E逐漸失活后，SOS反應(yīng)終止；而當(dāng)RNase E功能恢復(fù)后，SOS反應(yīng)又重新啟動。RNase E對SOS反應(yīng)的調(diào)控主要是通過RNase E活性調(diào)節(jié)蛋白A（regulator of ribonuclease activity A，RraA）實(shí)現(xiàn)的。RraA是近年來發(fā)現(xiàn)的對RNase E起抑制作用的重要調(diào)節(jié)因子。研究人員使用染色體定位的綠色熒光蛋白證明，RraA過表達(dá)時通過與RNase E的C端非催化區(qū)域結(jié)合，下調(diào)RNase E的核酸內(nèi)切酶活性，間接抑制SOS反應(yīng)，而且這種調(diào)節(jié)是動態(tài)的：RraA過量表達(dá)不僅可以抑制SOS反應(yīng)的啟動環(huán)節(jié)，而且可以靈活地隨時停止SOS應(yīng)答［35］。此外，也有報道認(rèn)為，在大腸桿菌內(nèi)，RNase E旁系同源物RNase G表達(dá)增強(qiáng)可以彌補(bǔ)RNase E缺乏造成的SOS反應(yīng)抑制，進(jìn)而重新啟動大腸桿菌內(nèi)的SOS反應(yīng)［36］。

3.4 RpoS蛋白

RpoS是RNA聚 合 酶σ38因 子（RNA polymerase σ38 factor，RpoS/σ38）主要功能是識別轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，并將RNA聚合酶引導(dǎo)至啟動子區(qū)。正常情況下，RpoS與RssB相互作用，被ClpXP蛋白酶完全水解。其在細(xì)菌的指數(shù)生長期不穩(wěn)定，在靜止期穩(wěn)定［36］，表達(dá)水平受到多階段調(diào)控，主要包括轉(zhuǎn)錄水平、翻譯水平、翻譯后水平［37］。RpoS在細(xì)菌氧化應(yīng)激和饑餓狀態(tài)下穩(wěn)定表達(dá)，因此RpoS被認(rèn)為是主要的應(yīng)激調(diào)控因子之一。整個Rpos調(diào)節(jié)系統(tǒng)涉及約100個基因的表達(dá)，其編碼的蛋白質(zhì)主要幫助細(xì)菌應(yīng)對饑餓等壓力條件。具體機(jī)制是：當(dāng)細(xì)菌受到高滲、酸性環(huán)境，高溫、饑餓等壓力脅迫時，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生抗適應(yīng)因子IraD、IraM、IraP（分別由氧化應(yīng)激、鎂和磷酸鹽饑餓誘導(dǎo)產(chǎn)生）阻止RssB靶向RpoS，從而穩(wěn)定RpoS蛋白［38］，此時可以通過非依賴RecA-LexA的信號傳導(dǎo)途徑啟動SOS反應(yīng)，通過調(diào)控DNA Pol II或在細(xì)胞靜止期和生長期通過SbcCD核酸酶和RecB中間因子的活性調(diào)控DNA聚合酶IV的表達(dá)。這一過程通常也被稱為RpoS應(yīng)激途徑。此外，在環(huán)境壓力下，ClpXP蛋白酶停止對RpoS的水解，使RpoS在細(xì)胞內(nèi)積累，激活RpoS修復(fù)途徑［37］。

3.5 RpoH蛋白

RpoH是RNA聚 合 酶σ32因 子（RNA polymerase sigma factor，RpoH/σ32），功能是引導(dǎo)RNA聚合酶到特定的轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)，然后釋放。RpoH是在細(xì)胞對數(shù)生長期控制熱休克反應(yīng)的主要因子。在高溫脅迫條件下，導(dǎo)致DNA損傷及蛋白質(zhì)折疊/變性，誘發(fā)細(xì)菌進(jìn)入熱休克狀態(tài)，高溫會誘導(dǎo)RpoH的表達(dá)。RpoH調(diào)控系統(tǒng)包括大約30個基因。GroEL/GroES和DnaK分子伴侶系統(tǒng)（包括DnaK、DnaJ和GrpE）是這一系統(tǒng)的重要成員。DNA聚合酶IV和聚合V是DNA損傷修復(fù)不可或缺的聚合酶。GroE能夠與UmuC相互作用，保護(hù)DNA聚合酶V不被降解［39］。而DNA聚合酶IV要正常發(fā)揮作用也離不開GroE的保護(hù)。另外，在非脅迫條件下，RpoH與DnaK相互作用，并與DnaJ和GrpE一起，被蛋白酶降解［39］。而暴露于熱休克后，DnaK被錯誤折疊的蛋白質(zhì)隔離，不再與RpoH相互作用，此時RpoH可以正常發(fā)揮作用，促使蛋白水解酶和分子伴侶蛋白表達(dá)增加，幫助水解變性的蛋白質(zhì)或展開折疊的蛋白質(zhì)，大大減輕高溫的毒性作用。

4 細(xì)菌DNA損傷修復(fù)的適應(yīng)性結(jié)局

細(xì)菌SOS反應(yīng)除了精確修復(fù)DNA損傷以外，還可以產(chǎn)生一系列適應(yīng)性結(jié)局，包括：抑制細(xì)胞分裂、染色體突變、毒力/致病性改變、耐藥性改變。這些變化幫助細(xì)菌更好地適應(yīng)環(huán)境（圖2）。

4.1 抑制細(xì)胞分裂

SOS反應(yīng)過程中，LexA自切割后脫離SOS盒后，導(dǎo)致細(xì)胞分裂停止并促進(jìn)DNA加快修復(fù)。暫時停止細(xì)胞分裂有助于減輕或避免分裂細(xì)胞中DNA損傷向子代傳遞，同時為DNA修復(fù)爭取時間［40］。在不同的菌種中，SOS反應(yīng)所誘導(dǎo)的細(xì)胞分裂抑制劑不甚相同。大腸桿菌SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞分裂抑制劑是胞質(zhì)的SulA，其通過與FtsZ（細(xì)胞分裂組分的支架）結(jié)合來抑制細(xì)胞分裂。α-月牙桿菌SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞分裂抑制劑是SidA。SidA是一種膜錨定小蛋白，不與FtsZ相互作用，而是與細(xì)胞分裂蛋白相互作用抑制細(xì)胞分裂。另外，在月牙桿菌中，還存在一種只與DNA損傷密切相關(guān)（獨(dú)立于SOS反應(yīng)）的細(xì)胞分裂抑制劑DidA［41］。在葡萄球菌中，SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的分裂抑制劑是小分子膜蛋白SosA，SosA過量表達(dá)能抑制細(xì)胞分裂，而SosA失活則使細(xì)胞恢復(fù)分裂。正常狀態(tài)下，SosA受到LexA的阻遏，而當(dāng)SOS反應(yīng)啟動，LexA阻遏作用消失，SosA抑制細(xì)胞分裂［42］。

4.2 染色體突變

DNA修復(fù)的早期為精準(zhǔn)修復(fù)，包括堿基切除修復(fù)（BER）、核苷酸切除修復(fù)（NER）和重組DNA修復(fù)。但是如果DNA損傷嚴(yán)重，精準(zhǔn)修復(fù)不足以完成修復(fù)和重新啟動復(fù)制，DNA誘變階段就會被觸發(fā)。這個階段一般有3種DNA聚合酶（Pol II、IV和V）參 與 跨 損 傷 修 復(fù)（translesion synthesis，TLS）。TLS是修復(fù)過程中繞過已經(jīng)損傷的DNA進(jìn)行復(fù)制修復(fù)的過程，是不準(zhǔn)確的DNA修復(fù)方式，屬于損傷耐受途徑。具體機(jī)制是：SOS反應(yīng)啟動后，RexA細(xì)絲逐漸積累，易錯DNA聚合酶激活，由于修復(fù)能力有限，造成基因突變率增高，因此SOS反應(yīng)又稱為突變反應(yīng)［43］。在3種參與TLS修復(fù)的DNA聚合酶中，聚合酶V被認(rèn)為是最易出錯的酶，其參與的DNA修復(fù)可以使染色體的突變率增加100倍。突變會殺死許多細(xì)胞，只有少量復(fù)制成功的細(xì)胞會適應(yīng)突變而存活下來。

4.3 耐藥性改變

4.3.1 直接改變菌株耐藥性

有證據(jù)表明，低濃度的抗生素和隨后的SOS誘導(dǎo)是導(dǎo)致細(xì)菌獲得多重耐藥性的因素之一。已證實(shí)，環(huán)丙沙星可導(dǎo)致更高的recA轉(zhuǎn)錄和翻譯，激活SOS反應(yīng)，使易出錯的DNA聚合酶V活性增高，引起耐藥性突變。喹諾酮耐藥基因qnrB2的表達(dá)水平通過SOS反應(yīng)的LexA/RecA依賴的負(fù)相關(guān)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。SOS反應(yīng)上調(diào)的蛋白質(zhì)還可以直接結(jié)合至DNA解旋酶位點(diǎn)，通過阻礙抗菌藥物的結(jié)合而引起耐藥性。此外，RecA蛋白突變（RecA142）還可以導(dǎo)致氟喹諾酮類耐藥性降低。在金黃色葡萄球菌中，抗性的持續(xù)和進(jìn)化也與SOS反應(yīng)有關(guān)。SOS反應(yīng)下游釋放的YdeO蛋白通過激活MdtEF外排泵提高大腸桿菌的多重耐藥性［44］。SOS反應(yīng)在修復(fù)DNA損傷的同時，也增強(qiáng)了細(xì)菌對抗菌藥物的 抵 抗 能 力，如 鏈 球 菌（Streptococcus pneumoniae）熱休克蛋白ClpL的誘導(dǎo)表達(dá)可以直接增強(qiáng)鏈球菌對青霉素的耐藥性。

4.3.2 促進(jìn)攜帶抗性基因的可移動遺傳元件的轉(zhuǎn)移

可移動元件在抗性基因傳播中起著至關(guān)重要的作用。β-內(nèi)酰胺類抗生素可以通過誘導(dǎo)SOS反應(yīng)來促進(jìn)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌內(nèi)攜帶抗性基因mecA和mecC的轉(zhuǎn)移元件SCCmec的轉(zhuǎn)移。SXT是攜帶抗氯霉素、磺胺甲惡唑、甲氧芐啶和鏈霉素的多種抗性基因的轉(zhuǎn)移元件［45］。2004年，研究者試圖利用SetR抑制SXT的轉(zhuǎn)移，但是SOS反應(yīng)能夠促進(jìn)SetR的自裂解，SetR失活后，解除了對SetC和SetD的抑制，后兩者是SXT接合轉(zhuǎn)移和整合酶的激活因子，反而增加了SXT的接合轉(zhuǎn)移頻率，促進(jìn)耐藥基因的水平轉(zhuǎn)移［46］。這種促進(jìn)耐藥基因傳播的機(jī)制不僅將耐藥性限制在單個細(xì)胞內(nèi)，而且還促進(jìn)了整個菌群對抗菌藥物的耐藥性。

4.3.3 促進(jìn)整合子的重排和轉(zhuǎn)移

Hocquet等［47］在臨床治療中，發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)對頭孢他啶敏感的患者經(jīng)甲硝唑治療后對頭孢他啶產(chǎn)生了耐藥性，后來在此患者體內(nèi)分離出1株超廣譜β-內(nèi)酰胺酶高度表達(dá)的銅綠假單胞菌，獲得性耐藥的原因是此患者之前使用甲硝唑引發(fā)了SOS反應(yīng)，激活了整合酶IntI，引起了整合子基因重排（切除了blaOXA-28基因上游的gcuF1 cassette盒），造成β內(nèi)酰胺酶分泌，形成了對β-內(nèi)酰胺類抗生素的廣譜耐藥性。Cambray等［48］發(fā)現(xiàn)LexA在整合蛋白I啟動子Pint的結(jié)合位點(diǎn)稱為LexA盒，當(dāng)LexA與LexA盒結(jié)合時，大腸桿菌和霍亂弧菌的整合酶表達(dá)明顯增加。這表明LexA蛋白通過Pint啟動子上的結(jié)合位點(diǎn)控制整合酶的表達(dá)，從而影響整合子抗性基因盒的重組和表達(dá)。

Fig.2 The adaptive outcomes caused by SOS reaction圖2細(xì)菌SOS反應(yīng)引起的適應(yīng)性結(jié)局

4.3.4 對細(xì)菌毒力的影響

在志賀毒素大腸桿菌中，SOS反應(yīng)強(qiáng)烈誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的志賀毒素（STX）和編碼STX基因的噬菌體［49］，增強(qiáng)大腸桿菌的毒性。絲裂霉素C、環(huán)丙沙星和β-內(nèi)酰胺類抗生素誘導(dǎo)的SOS反應(yīng)還能促進(jìn)金黃色葡萄球菌SaPI毒力島的水平轉(zhuǎn)移。

5 總 結(jié)

綜上所述，從1974年到今天，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對細(xì)菌的DNA修復(fù)過程有了較為全面和深入的了解，DNA損傷修復(fù)過程的誘導(dǎo)、調(diào)控和隨之出現(xiàn)的適應(yīng)性變化是一個精細(xì)和復(fù)雜的過程，這一過程幫助細(xì)菌抵抗外界壓力并適應(yīng)環(huán)境變化。隨著抗生素的廣泛使用，細(xì)菌的生存壓力日益增大，SOS反應(yīng)是細(xì)菌抵御外界壓力的有效過程之一。但是仍然有一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)尚不清楚，如LexA自切割的機(jī)制是什么？下游釋放基因的如何協(xié)同完成DNA修復(fù)過程，SSGs之間是否存在信號關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)？SOS反應(yīng)促進(jìn)耐藥基因轉(zhuǎn)移的機(jī)制是什么？DNA損傷修復(fù)為何會改變細(xì)菌的毒力/致病性？SOS反應(yīng)與細(xì)菌的接合轉(zhuǎn)移及群體感應(yīng)是否存在關(guān)聯(lián)，機(jī)制是什么？諸多問題到目前為止都不十分清楚，關(guān)于SOS反應(yīng)的諸多問題還需要進(jìn)行深入長期的研究?？傊J(rèn)識SOS反應(yīng)的整個過程和機(jī)制，有助于揭示細(xì)菌生存、代謝、遺傳的全過程，有利于開展致病菌的防治及新型抗生素的開發(fā)。