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。

參考文獻(xiàn)

[1] Vermeulen W. Action of DNA repair endonuclease ERCC1/XPF in living cells. Science,1999,284(5416):958961.

[2] Schrader CE. Mechanism and Regulation of Class Switch Recombination. Annu Rev Immunol,2008,26:261292.

[3] Covic M. DNA repair pathways and their involvement in human diseases. Rev Med Chir Soc Med Nat Iasi,2002,107(2):24757.

[4] Fousteri M, Mullenders LH. Transcriptioncoupled nucleotide excision repair in mammalian cells: molecular mechanisms and biological effects. Cell Res,2008,18(1):7384.

[5] Bartels CL. Lambert MW Domains in the XPA protein important in its role as a processivity factor. Biochem Biophys Res Commun,2007,9(27):219225.

[6] Beate K oberle et al. XPA protein as a limiting factor for nucleotide excision repair and UV sensitivity in human cells. DNA repair,2006,5:641648.

[7] X Wu, SM Shell et al. ATRdependent checkpoint modulates XPA nuclear import in response to UV irradiation. Oncogene,2007,26:757764.

[8] Guzder SN, Sommers CH, Prakash L, Prakash S. (2006).Complex formation with damage recognition protein Rad14 is essential for Saccharomyces cerevisiae Rad1Rad10 nuclease to perform its function in nucleotide excision repair in vivo. Mol Cell Biol,2006,26:11351141.

[9] Kristina Viktorsson et al. The role of p53 in treatment responses of lung cancer. Biochemical and Biophysical Research Communications,2005,331:868880.

[10] Gerdine J.Stout et al. Selective DNA damage responses in murine Xpa/, Xpc/and Csb/ keratinocyte cultures. DNA Repair 4,2005:13371344.

[11] James M. Ford et al.Regulation of DNA damage recognition and nucleotide excision repair: Another role for p53. Mutation Research,2005,577:195202.

[12] Ekaterina A. Maltseva et al.Ekaterina A. MaltsevaCrosslinking of the NER damage recognition proteins XPCHR23B, XPA and RPA to photoreactive probes that mimic DNA damages. Biochimica et Biophysica Acta,2007,1770:781789.