XPA的生物效应

文 武

[摘要] XPA是NER过程中不可缺少的蛋白。NER在维持细胞以及组织基因组稳定性方面发挥着重要的作用,缺乏XPA,生物体内的NER机制将不能正常进行,突变积累,基因组稳定性下降,最终导致癌症的发病率升高。本文主要阐述XPA的生物性状以及XPA在DNA修复以及中的作用,为进一步了解肿瘤的发生以及肿瘤的耐药性,提供一定的线索。

[关键词] XPA;DNA修复;肿瘤

人类基因组在不断的编码各种信息以保护自身的稳定性的同时,DNA修复酶还不停的修复着致癌性或者细胞毒性物质造成的DNA损伤。这些损伤可分为内源性损伤和外源性损伤两大类。内源性的DNA损伤包括:水解、氧化、烷化、错配等,外源性的损伤有IR、紫外线 UV、各种化学药物以及一些目前尚不能完确定的饮食因素。然而,更多的DNA轻微变异是由一些不可避免的因素造成的,比如水、活性氧化剂,一些代谢产物比如烷化剂等,这些都可以导致细胞增生停止,细胞凋亡等。DNA修复途径主要有[1]:①碱基切除修复(Base Excision Repair);②核苷酸切除修复(Nucleotide Excision Repair NER);③错配切除修复(Mismarch Repair MMR);④重组修复(Recombinational Repair)。由于NER机制能够修复大量的DNA损伤,且是细胞中唯一能够修复双链DNA损伤的途径,因此在维持细胞基因组稳定性方面发挥着重要作用。由于XPA在NER过程中发挥着重要作用,下面就XPA的生物性状、功能等做一简单介绍。

1 XPA基因的生物学特性

1.1 XPA的发现

XPA最初从着色性干皮病(xeroderma pigmentosum,XP)发现的,XP[2]最先是由匈牙利裔的皮肤病教授Kaposi等描述的。作为一种常染色体隐性遗传病,着色性干皮病的最主要特征是患者皮肤对阳光敏感并可在幼年发展为疡。随后几乎90%的患者会在十多岁发生基底细胞癌、鳞状细胞癌、黑色素瘤等皮肤癌。在紫外线作用下,XP患者罹患皮肤癌的机率显著高于正常,约为正常人的1000倍。C1eaver等首先发现该病是由于患者对紫外线照射造成的核苷酸损伤切除修复缺陷所致。到目前已有7组互补型及一种XP变异型被发现,与之相对应的基因分别被命名为XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF、XPG和XPV。

1.2 XPA的分子生物学特性

XPA基因含有六个外显子,其中E1编码与RPA34结合部分,E2编码与ERCC1结合结构,E3编码锌指结构,E4和E5编码looprich subdomain,与DNA结合结构,E6编码TFIIH结构[3]。XPA与其他NER蛋白结合,在NER过程中发挥着复杂的作用,其中任何一个外显子发生变异,都将导致其功能丧失,进而导致NER效率降低。在XPA基因的六个外显子中,E3、E4/E5具有重要作用,XPA生物效应的发挥,依赖于其与DNA的结合能力以及结合方式,E3突变,导致其不能与DNA结合,则NER的后续反应不能继续发生。

2 XPA与NER

NER机制能够修复大量的DNA损伤,NER过程可分为4个步骤:①XPC/hHR23B结合到损伤的DNA上,启动NER过程;②XPA、RPA、TFIIH聚集到损伤部位,打开DNA螺旋结构、稳定单链DNA并为NER机制定向;③单链结合蛋白RPA结合到未损伤链上,为XPG(3内切酶)和ERCC1与XPF复合体(5′内切酶)定位。④损伤剪切后,在DNA多聚酶以及其他因子作用下修复切除的DNA片段。在NER过程中,DNA损伤被识别之后,XPA聚集到损伤部位,之后其他各种NER因子通过XPA蛋白的协调,在NER机制中发挥作用[5]。NER[6]又可分为两个亚途径:即泛基因组修复(Global Genome Repair GGR)和转录偶联修复(TranscriptionCoupled Repair,TCR)。GGR[7]参与基因组任何序列损伤的修复,对于阻止癌症的发生具有重要作用。TCR修复具有转录活性基因转录链上的DNA损伤,其主要作用是延缓衰老过程。XPA参与了NER的两个途径,并且,在缺乏XPA的细胞或动物中,NER机制不能够进行,可见,XPA是NER过程中的必须蛋白。

有研究发现XPA是NER过程的限速蛋白。如果细胞中缺乏XPA蛋白,NER过程不可能发生。Beate K oberle et al[8]等研究发现:XPA/小鼠对UV以及顺铂的敏感性明显增高,而且由于不具备NER功能,不能够清除UV照射产生光产物,也不能够修复顺铂造成的DNA损伤,导致小鼠各种肿瘤的发生率明显上升。Gerdine J[8]等研究发现XPA蛋白在成纤维细胞中的量与NER效率明显相关,即XPA可能为NER机制的限速蛋白之一。此外,XPA基因含六个外显子,不同的外显子编码不同的氨基酸结构。其中E1编码与RPA34结合结构,E2编码与ERCC1结合结构,E3编码锌指结构,E4和E5编码looprich subdomain,与DNA结合结构,E6编码TFIIH结构。其中任何一个外显子发生变异,都将导致其相应的功能丧失,进而导致NER效率降低甚至NER不能发生。其中E3/E4 E5/E6变异还将导致XPF和XPG在DNA上的结合方式改变,即由持续机制(processisive mechanism) 变为间断机制(distributive mechanism),导致XPF和XPG在NER中内切酶作用大幅度降低,从而大大降低了NER效率。由此可见,XPA在一定程度上确实能够影响NER的速率,是NER的限速蛋白。然而,另外一些研究则发现[9],在人类细胞系中,大约每个正常细胞中约有15~20万分子XPA,此时细胞对UV造成的损伤作用能够快速修复;XP12RO是一种XPA缺陷细胞,给这种细胞中注入5万分子的XPA蛋白时,其对UV造成损伤的修复能力与正常细胞相同;当其中XPA分子减少到15万时,其对UV造成的损伤后产生的光产物清除半衰期为1 h,只有当XPA分子降低到1万分子时,其半衰期为3 h,此时细胞对于UV的敏感性降低。它们认为XPA的表达量对于NER效率的影响并不大。

此外,Maria Dusinska[10]等研究发现,XPA不仅参与了NER机制,同时还参与了氧化碱基的修复。

3 XPA与肿瘤发生

动物试验研究发现,缺乏XPA基因的xpa/小鼠没有NER功能,对于UV的敏感性明显升高,而且更容易被诱导出各种肿瘤。同时,XP患者对于UV的敏感性升高1000倍,更容易发生皮肤癌等各种肿瘤。可见,XPA无论在细胞还是组织中都发挥着非常重要的作用。很多研究发现XPA在肺癌细胞中表达低于正常肺组织中的表达,并且认为低表达的XPA与肺癌的发生相关。此外,Ulla Vogel[11]等研究发现,XPA的多态性同样与肺癌的发生相关。笔者的研究发现,膀胱癌中肺癌的表达明显低于膀胱组织中,结合XPA在膀胱癌中的作用,我们认为,XPA的低表达,在一定程度上导致了膀胱癌的发生(资料未发表)。目前XPA与肿瘤发生之间的关系尚不明确,然而,鉴于XPA在NER中的重要作用,XPA的变异或异常表达对于肿瘤的发生具有一定的影响。

4 XPA与肿瘤耐药性

Beate Koberle[12]等研究发现,XPA在睾丸细胞株中表达降低,并且,低表达的XPA直接导致了睾丸细胞对于化疗敏感性升高。往睾丸细胞株GCT27注入40ngXPA蛋白后,GCT27细胞NER效率升高,且对顺铂的抵抗性升高。我们的研究发现,非小细胞肺癌以及膀胱移行细胞癌中XPA的表达明显低于正常肺组织、膀胱组织中XPA的表达(资料未发),然而肺癌、膀胱癌对于化疗敏感性并不高,我们推测,在肺癌以及膀胱癌中,P53介导的凋亡机制参与了癌组织的耐药性。而与肺癌和膀胱癌不同的是,在睾丸细胞株中已经证实,其高表达的非突变P53与其对化疗药物的高敏感性无关。最近研究发现[13,14],在XPA缺陷的人类细胞中,ATR(ataxia telangiectasiamutated and Rad3related)介导的凋亡机制信号转导缺陷,导致细胞凋亡能力降低,在一定程度降低了化疗药物的敏感性。

5 XPA变异与疾病

展望:综上所述,我们发现,虽然XPA在NER修复途径过程中发挥着重要作用,然而,对于其在各种生物效应中的具体作用尚不清楚。①XPA是否为NER的限速蛋白,目前尚不能确定,还需进一步研究;②XPA的多态性是否是肿瘤发生的危险因素之一,以及XPA多态性是如何影响肿瘤发生的;③膀胱癌、肺癌中XPA表达降低,然而导致XPA表达降低的原因尚不明确,以及XPA降低对于膀胱癌肺癌的具体影响等,都还需要进一步研究;④人类细胞中发现,XPA参与了ATR介导的凋亡机制,然而,XPA的这种生物效应是否在人体组织中同样存在以及其具体意义,目前尚不明确。

鉴于XPA在DNA修复过程中的重要作用,我们推测,其在肿瘤以及其他生物机制(如衰老)中具有重要的生物学价值,进一步研究XPA的功能,对于预防肿瘤的发生以及提高肿瘤的治疗,具有重要意义。

参考文献

[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.

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

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[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.

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[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.